中心論題：

• 大功率LED封裝關鍵技術
• 固態照明對大功率LED封裝的要求

解決方案：

• 采用低熱阻封裝工藝
• 采用高取光率封裝結構與工藝
• 采用陣列封裝與係統集成技術
• 進行封裝可靠性測試與評估
  

前言
大功率LED封裝由於結構和工藝複雜，並直接影響到LED的使用性能和壽命

，一直是近年來的研究熱點，特別是大功率白光LED封裝更是研究熱點中的熱點。LED封裝的功能主要包括：1.機械保護，以提高可靠性；2.加強散熱，以降低芯片結溫，提高LED性能；3.光學控製
，提高出光效率
，優化光束分布
；4.供電管理
，包括交流/直流轉變，以及電源控製等。
　　
LED封裝方法、材料、結構和工藝的選擇主要由芯片結構、光電/機械特性、具體應用和成本等因素決定。經過40多年的發展
，LED封裝先後經曆了支架式(Lamp LED)、貼片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等發展階段。隨著芯片功率的增大，特別是固態照明技術發展的需求

，對LED封裝的光學、熱學
、電學和機械結構等提出了新的、更高的要求。為了有效地降低封裝熱阻，提高出光效率，必須采用全新的技術思路來進行封裝設計。

大功率LED封裝關鍵技術
大功率LED封裝主要涉及光
、熱、電、結構與工藝等方麵，如圖1所示。這些因素彼此既相互獨立
，又相互影響。其中，光是LED封裝的目的，熱是關鍵
，電
、結構與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現。從工藝兼容性及降低生產成本而言，LED封feng裝zhuang設she計ji應ying與yu芯xin片pian設she計ji同tong時shi進jin行xing，即ji芯xin片pian設she計ji時shi就jiu應ying該gai考kao慮lv到dao封feng裝zhuang結jie構gou和he工gong藝yi。否fou則ze，等deng芯xin片pian製zhi造zao完wan成cheng後hou，可ke能neng由you於yu封feng裝zhuang的de需xu要yao對dui芯xin片pian結jie構gou進jin行xing調tiao整zheng
，從cong而er延yan長chang了le產chan品pin研yan發fa周zhou期qi和he工gong藝yi成cheng本ben
，有you時shi甚shen至zhi不bu可ke能neng。 

具體而言，大功率LED封裝的關鍵技術包括：

a.低熱阻封裝工藝
對於現有的LED光效水平而言
，由於輸入電能的80％左右轉變成為熱量

，且LED芯片麵積小，因此，芯片散熱是LED封裝必須解決的關鍵問題。主要包括芯片布置、封裝材料選擇（基板材料、熱界麵材料）與工藝
、熱沉設計等。
　　
LED封裝熱阻主要包括材料（散熱基板和熱沉結構）內部熱阻和界麵熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產生的熱量
，並傳導到熱沉上，實現與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括矽、金屬（如鋁，銅）、陶瓷（如Al2O3，AlN，SiC）和複合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做襯底

，將1mm芯片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝熱阻，提高了發光功率和效率；Lamina Ceramics公司則研製了低溫共燒陶瓷金屬基板
，如圖2（a），並開發了相應的LED封裝技術。該技術首先製備出適於共晶焊的大功率LED芯片和相應的陶瓷基板，然後將LED芯片與基板直接焊接在一起。由於該基板上集成了共晶焊層、靜電保護電路
、驅動電路及控製補償電路，不僅結構簡單，而且由於材料熱導率高
，熱界麵少，大大提高了散熱性能，為大功率LED陣列封裝提出了解決方案。德國Curmilk公司研製的高導熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或Al2O3）和導電層（Cu）在高溫高壓下燒結而成，沒有使用黏結劑
，因此導熱性能好、強度高
、絕緣性強
，如圖2（b）所示。其中氮化鋁（AlN）的熱導率為160W/mk，熱膨脹係數為4.0×10－6/℃（與矽的熱膨脹係數3.2×10－6/℃相當），從而降低了封裝熱應力。 
 

 
研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)

，封(feng)裝(zhuang)界(jie)麵(mian)對(dui)熱(re)阻(zu)影(ying)響(xiang)也(ye)很(hen)大(da)，如(ru)果(guo)不(bu)能(neng)正(zheng)確(que)處(chu)理(li)界(jie)麵(mian)
，就(jiu)難(nan)以(yi)獲(huo)得(de)良(liang)好(hao)的(de)散(san)熱(re)效(xiao)果(guo)。例(li)如(ru)，室(shi)溫(wen)下(xia)接(jie)觸(chu)良(liang)好(hao)的(de)界(jie)麵(mian)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)界(jie)麵(mian)間(jian)隙(xi)
，基(ji)板(ban)的(de)翹(qiao)曲(qu)也(ye)可(ke)能(neng)會(hui)影(ying)響(xiang)鍵(jian)合(he)和(he)局(ju)部(bu)的(de)散(san)熱(re)。改(gai)善(shan)LED封裝的關鍵在於減少界麵和界麵接觸熱阻，增強散熱。因此，芯片和散熱基板間的熱界麵材料（TIM）選擇十分重要。LED封裝常用的TIM為導電膠和導熱膠
，由於熱導率較低，一般為0.5-2.5W/mK，致使界麵熱阻很高。而采用低溫或共晶焊料
、焊膏或者內摻納米顆粒的導電膠作為熱界麵材料，可大大降低界麵熱阻。

b.高取光率封裝結構與工藝
在LED使用過程中，輻射複合產生的光子在向外發射時產生的損失
，主要包括三個方麵：芯片內部結構缺陷以及材料的吸收；光子在出射界麵由於折射率差引起的反射損失
；以(yi)及(ji)由(you)於(yu)入(ru)射(she)角(jiao)大(da)於(yu)全(quan)反(fan)射(she)臨(lin)界(jie)角(jiao)而(er)引(yin)起(qi)的(de)全(quan)反(fan)射(she)損(sun)失(shi)。因(yin)此(ci)，很(hen)多(duo)光(guang)線(xian)無(wu)法(fa)從(cong)芯(xin)片(pian)中(zhong)出(chu)射(she)到(dao)外(wai)部(bu)。通(tong)過(guo)在(zai)芯(xin)片(pian)表(biao)麵(mian)塗(tu)覆(fu)一(yi)層(ceng)折(zhe)射(she)率(lv)相(xiang)對(dui)較(jiao)高(gao)的(de)透(tou)明(ming)膠(jiao)層(ceng)(灌封膠)
，由(you)於(yu)該(gai)膠(jiao)層(ceng)處(chu)於(yu)芯(xin)片(pian)和(he)空(kong)氣(qi)之(zhi)間(jian)，從(cong)而(er)有(you)效(xiao)減(jian)少(shao)了(le)光(guang)子(zi)在(zai)界(jie)麵(mian)的(de)損(sun)失(shi)
，提(ti)高(gao)了(le)取(qu)光(guang)效(xiao)率(lv)。此(ci)外(wai)，灌(guan)封(feng)膠(jiao)的(de)作(zuo)用(yong)還(hai)包(bao)括(kuo)對(dui)芯(xin)片(pian)進(jin)行(xing)機(ji)械(xie)保(bao)護(hu)，應(ying)力(li)釋(shi)放(fang)，並(bing)作(zuo)為(wei)一(yi)種(zhong)光(guang)導(dao)結(jie)構(gou)。因(yin)此(ci)，要(yao)求(qiu)其(qi)透(tou)光(guang)率(lv)高(gao)，折(zhe)射(she)率(lv)高(gao)，熱(re)穩(wen)定(ding)性(xing)好(hao)
，流(liu)動(dong)性(xing)好(hao)

，易(yi)於(yu)噴(pen)塗(tu)。為(wei)提(ti)高(gao)LED封裝的可靠性

，還要求灌封膠具有低吸濕性、低應力、耐nai老lao化hua等deng特te性xing。目mu前qian常chang用yong的de灌guan封feng膠jiao包bao括kuo環huan氧yang樹shu脂zhi和he矽gui膠jiao。矽gui膠jiao由you於yu具ju有you透tou光guang率lv高gao
，折zhe射she率lv大da
，熱re穩wen定ding性xing好hao，應ying力li小xiao，吸xi濕shi性xing低di等deng特te點dian，明ming顯xian優you於yu環huan氧yang樹shu脂zhi，在zai大da功gong率lvLEDfengzhuangzhongdedaoguangfanyingyong，danchengbenjiaogao。yanjiubiaoming

，tigaoguijiaozheshelvkeyouxiaojianshaozheshelvwulipingzhangdailaideguangzisunshi
，tigaowailiangzixiaolv，danguijiaoxingnengshouhuanjingwenduyingxiangjiaoda。suizhewendushenggao，guijiaoneibudereyinglijiada
，daozhiguijiaodezheshelvjiangdi，congeryingxiangLED光效和光強分布。
　　
熒光粉的作用在於光色複合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發光效率
、轉換效率
、穩定性（熱和化學）等，其中，發光效率和轉換效率是關鍵。研究表明，隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低,出光減少
，輻射波長也會發生變化
，從而引起白光LED色溫
、sedudebianhua，jiaogaodewenduhaihuijiasuyingguangfendelaohua。yuanyinzaiyuyingguangfentucengshiyouhuanyanghuoguijiaoyuyingguangfentiaopeiercheng

，sanrexingnengjiaocha，dangshoudaoziguanghuoziwaiguangdefusheshi
，yifashengwenducumiehelaohua，shifaguangxiaolvjiangdi。ciwai
，gaowenxiaguanfengjiaoheyingguangfenderewendingxingyecunzaiwenti。youyuchangyongyingguangfenchicunzai1um以上，折射率大於或等於1.85，而矽膠折射率一般在1.5左右。由於兩者間折射率的不匹配，以及熒光粉顆粒尺寸遠大於光散射極限（30nm）
，因而在熒光粉顆粒表麵存在光散射
，降低了出光效率。通過在矽膠中摻入納米熒光粉
，可使折射率提高到1.8以上
，降低光散射
，提高LED出光效率（10％-20％），並能有效改善光色質量。
　　
傳(chuan)統(tong)的(de)熒(ying)光(guang)粉(fen)塗(tu)敷(fu)方(fang)式(shi)是(shi)將(jiang)熒(ying)光(guang)粉(fen)與(yu)灌(guan)封(feng)膠(jiao)混(hun)合(he)，然(ran)後(hou)點(dian)塗(tu)在(zai)芯(xin)片(pian)上(shang)。由(you)於(yu)無(wu)法(fa)對(dui)熒(ying)光(guang)粉(fen)的(de)塗(tu)敷(fu)厚(hou)度(du)和(he)形(xing)狀(zhuang)進(jin)行(xing)精(jing)確(que)控(kong)製(zhi)
，導(dao)致(zhi)出(chu)射(she)光(guang)色(se)彩(cai)不(bu)一(yi)致(zhi)
，出(chu)現(xian)偏(pian)藍(lan)光(guang)或(huo)者(zhe)偏(pian)黃(huang)光(guang)。而(er)Lumileds公司開發的保形塗層（Conformal coating）技術可實現熒光粉的均勻塗覆

，保障了光色的均勻性
，如圖3（b）。但研究表明，當熒光粉直接塗覆在芯片表麵時
，由於光散射的存在，出光效率較低。有鑒於此
，美國Rensselaer 研究所提出了一種光子散射萃取工藝（Scattered Photon Extraction method，SPE)，通過在芯片表麵布置一個聚焦透鏡，並將含熒光粉的玻璃片置於距芯片一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60％），如圖3(c)。 

總體而言，為提高LED的de出chu光guang效xiao率lv和he可ke靠kao性xing，封feng裝zhuang膠jiao層ceng有you逐zhu漸jian被bei高gao折zhe射she率lv透tou明ming玻bo璃li或huo微wei晶jing玻bo璃li等deng取qu代dai的de趨qu勢shi，通tong過guo將jiang熒ying光guang粉fen內nei摻chan或huo外wai塗tu於yu玻bo璃li表biao麵mian，不bu僅jin提ti高gao了le熒ying光guang粉fen的de均jun勻yun度du，而er且qie提ti高gao了le封feng裝zhuang效xiao率lv。此ci外wai，減jian少shaoLED出光方向的光學界麵數，也是提高出光效率的有效措施。

c.陣列封裝與係統集成技術
經過40多年的發展，LED封裝技術和結構先後經曆了四個階段
，如圖4所示。 

引腳式（Lamp）LED封裝：引腳式封裝就是常用的3－5mm封裝結構。一般用於電流較小（20－30mA），功率較低（小於0.1W）的LED封裝。主要用於儀表顯示或指示，大規模集成時也可作為顯示屏。其缺點在於封裝熱阻較大（一般高於100K/W），壽命較短。

表麵組裝（貼片）式（SMT－LED）封裝：表麵組裝技術（SMT）是一種可以直接將封裝好的器件貼
、焊到PCBbiaomianzhidingweizhishangdeyizhongfengzhuangjishu。jutieryan，jiushiyongtedingdegongjuhuoshebeijiangxinpianyinjiaoduizhunyuxiantufulezhanjiejihehangaodehanpantuxingshang，ranhouzhijietiezhuangdaoweizuananzhuangkongdePCB 表麵上，經過波峰焊或再流焊後，使器件和電路之間建立可靠的機械和電氣連接。SMT技術具有可靠性高、高頻特性好
、易於實現自動化等優點，是電子行業最流行的一種封裝技術和工藝。

板上芯片直裝式（COB）LED封裝：COB是Chip On Board（板上芯片直裝）的英文縮寫
，是一種通過粘膠劑或焊料將LED芯片直接粘貼到PCB板上，再通過引線鍵合實現芯片與PCB板間電互連的封裝技術。PCB板可以是低成本的FR－4材料（玻璃纖維增強的環氧樹脂）
，也可以是高熱導的金屬基或陶瓷基複合材料（如鋁基板或覆銅陶瓷基板等）。而引線鍵合可采用高溫下的熱超聲鍵合（金絲球焊）和常溫下的超聲波鍵合（鋁劈刀焊接）。COB技術主要用於大功率多芯片陣列的LED封裝，同SMT相比
，不僅大大提高了封裝功率密度，而且降低了封裝熱阻（一般為6-12W/m.K）。

係統封裝式（SiP）LED封裝：SiP（System in Package）是近幾年來為適應整機的便攜式發展和係統小型化的要求
，在係統芯片System on Chip（SOC）基礎上發展起來的一種新型封裝集成方式。對SiP－LED而言
，不僅可以在一個封裝內組裝多個發光芯片，還可以將各種不同類型的器件（如電源、控製電路、光學微結構
、傳感器等）集成在一起，構建成一個更為複雜的
、完整的係統。同其他封裝結構相比，SiP具有工藝兼容性好（可利用已有的電子封裝材料和工藝）
，集成度高，成本低，可提供更多新功能，易於分塊測試，開發周期短等優點。按照技術類型不同
，SiP可分為四種：芯片層疊型，模組型，MCM型和三維(3D)封裝型。
　　
目前

，高亮度LED器件要代替白熾燈以及高壓汞燈，必須提高總的光通量，或者說可以利用的光通量。而光通量的增加可以通過提高集成度、加大電流密度
、使用大尺寸芯片等措施來實現。而這些都會增加LED的功率密度，如散熱不良，將導致LED芯片的結溫升高，從而直接影響LED器件的性能（如發光效率降低
、出射光發生紅移，壽命降低等）。多芯片陣列封裝是目前獲得高光通量的一個最可行的方案，但是LED陣列封裝的密度受限於價格、可用的空間、dianqilianjie
，tebieshisanredengwenti。youyufaguangxinpiandegaomidujicheng
，sanrejibanshangdewenduhengao，bixucaiyongyouxiaoderechenjiegouheheshidefengzhuanggongyi。changyongderechenjiegoufenweibeidonghezhudongsanre。beidongsanreyibanxuanyongjuyougaoleihuaxishudechipian，tongguochipianhekongqijiandeziranduiliujiangrelianghaosandaohuanjingzhong。gaifanganjiegoujiandan

，kekaoxinggao，danyouyuziranduiliuhuanrexishujiaodi
，zhishiheyugonglvmidujiaodi，jichengdubugaodeqingkuang。duiyudagonglvLED封裝
，則必須采用主動散熱
，如翅片＋風扇
、熱管、液體強迫對流
、微通道致冷、相變致冷等。
　　
在係統集成方麵
，台灣新強光電公司采用係統封裝技術(SiP), 並通過翅片＋熱管的方式搭配高效能散熱模塊，研製出了72W、80W的高亮度白光LED光源
，如圖5（a）。由於封裝熱阻較低（4.38℃/W）,當環境溫度為25℃時，LED結溫控製在60℃以下，從而確保了LED的使用壽命和良好的發光性能。而華中科技大學則采用COB封裝和微噴主動散熱技術，封裝出了220W和1500W的超大功率LED白光光源

，如圖5（b）。 

d.封裝大生產技術
晶片鍵合（Wafer bonding）技術是指芯片結構和電路的製作、封裝都在晶片（Wafer）上進行，封裝完成後再進行切割，形成單個的芯片（Chip）；與之相對應的芯片鍵合（Die bonding）是指芯片結構和電路在晶片上完成後，即進行切割形成芯片（Die），然後對單個芯片進行封裝（類似現在的LED封裝工藝）

，如圖6所示。很明顯，晶片鍵合封裝的效率和質量更高。由於封裝費用在LED器件製造成本中占了很大比例，因此，改變現有的LED封裝形式（從芯片鍵合到晶片鍵合），將大大降低封裝製造成本。此外，晶片鍵合封裝還可以提高LED器件生產的潔淨度，防止鍵合前的劃片、分片工藝對器件結構的破壞
，提高封裝成品率和可靠性
，因而是一種降低封裝成本的有效手段。 

此外

，對於大功率LED封裝
，必須在芯片設計和封裝設計過程中
，盡可能采用工藝較少的封裝形式（Package-less Packaging），同時簡化封裝結構，盡可能減少熱學和光學界麵數
，以降低封裝熱阻，提高出光效率。

e.封裝可靠性測試與評估
LED器件的失效模式主要包括電失效（如短路或斷路）
、光失效（如高溫導致的灌封膠黃化
、光學性能劣化等）和機械失效（如引線斷裂，脫焊等），而這些因素都與封裝結構和工藝有關。LED的使用壽命以平均失效時間（MTTF）來定義，對於照明用途，一般指LED的輸出光通量衰減為初始的70％（對顯示用途一般定義為初始值的50％）的使用時間。由於LED壽命長

，通常采取加速環境試驗的方法進行可靠性測試與評估。測試內容主要包括高溫儲存（100℃，1000h）、低溫儲存（－55℃，1000h）
、高溫高濕（85℃/85％，1000h）、高低溫循環（85℃～－55℃）

、熱衝擊、耐腐蝕性、抗溶性、機械衝擊等。然而，加速環境試驗隻是問題的一個方麵，對LED壽命的預測機理和方法的研究仍是有待研究的難題。

固態照明對大功率LED封裝的要求
與傳統照明燈具相比，LED燈具不需要使用濾光鏡或濾光片來產生有色光
，不僅效率高、guangsechun，erqiekeyishixiandongtaihuojianbiandesecaibianhua。zaigaibiansewendetongshibaochijuyougaodexiansezhishu
，manzubutongdeyingyongxuyao。danduiqifengzhuangyetichulexindeyaoqiu，jutitixianzai：

a.模塊化
通過多個LED燈（或模塊）的相互連接可實現良好的流明輸出疊加，滿足高亮度照明的要求。通過模塊化技術，可以將多個點光源或LED模塊按照隨意形狀進行組合，滿足不同領域的照明要求。

b.係統效率最大化
為提高LED燈具的出光效率
，除了需要合適的LED電源外，還必須采用高效的散熱結構和工藝，以及優化內/外光學設計，以提高整個係統效率。

c.低成本
LED燈具要走向市場，必須在成本上具備競爭優勢（主要指初期安裝成本）
，而封裝在整個LED燈具生產成本中占了很大部分，因此
，采用新型封裝結構和技術，提高光效/成本比
，是實現LED燈具商品化的關鍵。

d.易於替換和維護
由於LED光源壽命長，維護成本低
，因此對LED燈具的封裝可靠性提出了較高的要求。要求LED燈具設計易於改進以適應未來效率更高的LED芯片封裝要求，並且要求LED芯片的互換性要好，以便於燈具廠商自己選擇采用何種芯片。
　　
LEDdengjuguangyuankeyouduogefenbushidianguangyuanzucheng
，youyuxinpianchicunxiao
，congershifengzhuangchudedengjuzhongliangqing
，jiegoujingqiao，bingkemanzugezhongxingzhuanghebutongjichengdudexuqiu。weiyidebuzuzaiyumeiyouxianchengdeshejibiaozhun，dantongshigeishejitigonglechongfendexiangxiangkongjian。ciwai，LED照明控製的首要目標是供電。由於一般市電電源是高壓交流電（220V，AC），而LED需要恒流或限流電源，因此必須使用轉換電路或嵌入式控製電路（ASICs），以(yi)實(shi)現(xian)先(xian)進(jin)的(de)校(xiao)準(zhun)和(he)閉(bi)環(huan)反(fan)饋(kui)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)。此(ci)外(wai)
，通(tong)過(guo)數(shu)字(zi)照(zhao)明(ming)控(kong)製(zhi)技(ji)術(shu)，對(dui)固(gu)態(tai)光(guang)源(yuan)的(de)使(shi)用(yong)和(he)控(kong)製(zhi)主(zhu)要(yao)依(yi)靠(kao)智(zhi)能(neng)控(kong)製(zhi)和(he)管(guan)理(li)軟(ruan)件(jian)來(lai)實(shi)現(xian)，從(cong)而(er)在(zai)用(yong)戶(hu)
、信息與光源間建立了新的關聯

，並且可以充分發揮設計者和消費者的想象力。

結束語
LED封裝是一個涉及到多學科（如光學、熱學

、機械、電學、力學

、材料、半導體等）的研究課題。從某種角度而言，LED封裝不僅是一門製造技術（Technology）
，而且也是一門基礎科學（Science），良好的封裝需要對熱學
、光學、材料和工藝力學等物理本質的理解和應用。LED封裝設計應與芯片設計同時進行，並且需要對光、熱、電、結構等性能統一考慮。在封裝過程中，雖然材料（散熱基板、熒光粉
、灌封膠）選擇很重要，但封裝結構（如熱學界麵、光學界麵）對LED光效和可靠性影響也很大，大功率白光LED封裝必須采用新材料，新工藝
，新思路。對於LED燈具而言，更是需要將光源
、散熱、供電和燈具等集成考慮。