摘 要：本文從光學、熱學、電學、可靠性等方面,詳細評述了大功率白光LED封裝的" title="封裝的">封裝的設計和研究進展，并對大功率LED封裝的關鍵技術進行了評述。提出LED的封裝設計應與芯片設計同時進行，并且需要對光、熱、電、結(jié)構(gòu)等性能統(tǒng)一考慮。在封裝過程中，雖然材料（散熱基板" title="基板">基板、熒光粉、灌封膠）選擇很重要，但封裝結(jié)構(gòu)中應盡可能減少熱學和光學界面，從而降低封裝熱阻" title="熱阻">熱阻，提高出光效率" title="光效率">光效率。文中最后對LED燈具的設計和封裝要求進行了闡述。
關鍵詞：固態(tài)照明 大功率LED 白光LED 封裝
一、前言
大功率LED封裝由于結(jié)構(gòu)和工藝復雜，并直接影響到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(jié)溫，提高LED性能；3.光學控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布；4.供電管理，包括交流/直流轉(zhuǎn)變，以及電源控制等。
LED封裝方法、材料、結(jié)構(gòu)和工藝的選擇主要由芯片結(jié)構(gòu)、光電/機械特性、具體應用和成本等因素決定。經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED封裝先后經(jīng)歷了支架式(Lamp LED)、貼片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等發(fā)展階段。隨著芯片功率的增大，特別是固態(tài)照明技術發(fā)展的需求，對LED封裝的光學、熱學、電學和機械結(jié)構(gòu)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。
二、大功率LED封裝關鍵技術
大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結(jié)構(gòu)與工藝等方面，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(jié)構(gòu)與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。從工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本而言，LED封裝設計應與芯片設計同時進行，即芯片設計時就應該考慮到封裝結(jié)構(gòu)和工藝。否則，等芯片制造完成后，可能由于封裝的需要對芯片結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，從而延長了產(chǎn)品研發(fā)周期和工藝成本，有時甚至不可能。
圖1 大功率白光LED封裝技術
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具體而言，大功率LED封裝的關鍵技術包括：
（一）低熱阻封裝工藝
對于現(xiàn)有的LED光效水平而言，由于輸入電能的80％左右轉(zhuǎn)變成為熱量，且LED芯片面積小，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、熱界面材料）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(jié)構(gòu)）內(nèi)部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產(chǎn)生的熱量，并傳導到熱沉上，實現(xiàn)與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括硅、金屬（如鋁，銅）、陶瓷（如Al2O3，AlN，SiC）和復合材料等。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(fā)光功率和效率；Lamina Ceramics公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖2（a），并開發(fā)了相應的LED封裝技術。該技術首先制備出適于共晶焊的大功率LED芯片和相應的陶瓷基板，然后將LED芯片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護電路、驅(qū)動電路及控制補償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且由于材料熱導率高，熱界面少，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公司研制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(jié)而成，沒有使用黏結(jié)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，熱膨脹系數(shù)為4.0×10－6/℃（與硅的熱膨脹系數(shù)3.2×10－6/℃相當），從而降低了封裝熱應力。
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研究表明，封裝界面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理界面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下接觸良好的界面在高溫下可能存在界面間隙，基板的翹曲也可能會影響鍵合和局部的散熱。改善LED封裝的關鍵在于減少界面和界面接觸熱阻，增強散熱。因此，芯片和散熱基板間的熱界面材料（TIM）選擇十分重要。LED封裝常用的TIM為導電膠和導熱膠，由于熱導率較低，一般為0.5-2.5W/mK，致使界面熱阻很高。而采用低溫或共晶焊料、焊膏或者內(nèi)摻納米顆粒的導電膠作為熱界面材料，可大大降低界面熱阻。
（二）高取光率封裝結(jié)構(gòu)與工藝
在LED使用過程中，輻射復合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時產(chǎn)生的損失，主要包括三個方面：芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率" title="折射率">折射率差引起的反射損失；以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線無法從芯片中出射到外部。通過在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于芯片和空氣之間，從而有效減少了光子在界面的損失，提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對芯片進行機械保護，應力釋放，并作為一種光導結(jié)構(gòu)。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩(wěn)定性好，流動性好，易于噴涂。為提高LED封裝的可靠性，還要求灌封膠具有低吸濕性、低應力、耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定性好，應力小，吸濕性低等特點，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹脂，在大功率LED封裝中得到廣泛應用，但成本較高。研究表明，提高硅膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失，提高外量子效率，但硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內(nèi)部的熱應力加大，導致硅膠的折射率降低，從而影響LED光效和光強分布。
熒光粉的作用在于光色復合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發(fā)光效率、轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性（熱和化學）等，其中，發(fā)光效率和轉(zhuǎn)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(fā)生變化，從而引起白光LED色溫、色度的變化，較高的溫度還會加速熒光粉的老化。原因在于熒光粉涂層是由環(huán)氧或硅膠與熒光粉調(diào)配而成，散熱性能較差，當受到紫光或紫外光的輻射時，易發(fā)生溫度猝滅和老化，使發(fā)光效率降低。此外，高溫下灌封膠和熒光粉的熱穩(wěn)定性也存在問題。由于常用熒光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅膠折射率一般在1.5左右。由于兩者間折射率的不匹配，以及熒光粉顆粒尺寸遠大于光散射極限（30nm），因而在熒光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。通過在硅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％），并能有效改善光色質(zhì)量。
傳統(tǒng)的熒光粉涂敷方式是將熒光粉與灌封膠混合，然后點涂在芯片上。由于無法對熒光粉的涂敷厚度和形狀進行精確控制，導致出射光色彩不一致，出現(xiàn)偏藍光或者偏黃光。而Lumileds公司開發(fā)的保形涂層（Conformal coating）技術可實現(xiàn)熒光粉的均勻涂覆，保障了光色的均勻性，如圖3（b）。但研究表明，當熒光粉直接涂覆在芯片表面時，由于光散射的存在，出光效率較低。有鑒于此，美國Rensselaer 研究所提出了一種光子散射萃取工藝（Scattered Photon Extraction method，SPE)，通過在芯片表面布置一個聚焦透鏡，并將含熒光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60％），如圖3(c)。
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圖3 大功率白光LED封裝結(jié)構(gòu)
總體而言，為提高LED的出光效率和可靠性，封裝膠層有逐漸被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趨勢，通過將熒光粉內(nèi)摻或外涂于玻璃表面，不僅提高了熒光粉的均勻度，而且提高了封裝效率。此外，減少LED出光方向的光學界面數(shù)，也是提高出光效率的有效措施。
（三）陣列封裝與系統(tǒng)集成技術
經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED封裝技術和結(jié)構(gòu)先后經(jīng)歷了四個階段，如圖4所示。
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圖4 LED封裝技術和結(jié)構(gòu)發(fā)展
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1、引腳式（Lamp）LED封裝
引腳式封裝就是常用的?3－5mm封裝結(jié)構(gòu)。一般用于電流較?。?0－30mA），功率較低（小于0.1W）的LED封裝。主要用于儀表顯示或指示，大規(guī)模集成時也可作為顯示屏。其缺點在于封裝熱阻較大（一般高于100K/W），壽命較短。
2、表面組裝（貼片）式（SMT－LED）封裝
表面組裝技術（SMT）是一種可以直接將封裝好的器件貼、焊到PCB表面指定位置上的一種封裝技術。具體而言，就是用特定的工具或設備將芯片引腳對準預先涂覆了粘接劑和焊膏的焊盤圖形上，然后直接貼裝到未鉆安裝孔的PCB 表面上，經(jīng)過波峰焊或再流焊后，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、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，是電子行業(yè)最流行的一種封裝技術和工藝。
3、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(xiàn)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(huán)氧樹脂），也可以是高熱導的金屬基或陶瓷基復合材料（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技術主要用于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）。
4、系統(tǒng)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(fā)展和系統(tǒng)小型化的要求，在系統(tǒng)芯片System on Chip（SOC）基礎上發(fā)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(nèi)組裝多個發(fā)光芯片，還可以將各種不同類型的器件（如電源、控制電路、光學微結(jié)構(gòu)、傳感器等）集成在一起，構(gòu)建成一個更為復雜的、完整的系統(tǒng)。同其他封裝結(jié)構(gòu)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，易于分塊測試，開發(fā)周期短等優(yōu)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(xiàn)。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(jié)溫升高，從而直接影響LED器件的性能（如發(fā)光效率降低、出射光發(fā)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于價格、可用的空間、電氣連接，特別是散熱等問題。由于發(fā)光芯片的高密度集成，散熱基板上的溫度很高，必須采用有效的熱沉結(jié)構(gòu)和合適的封裝工藝。常用的熱沉結(jié)構(gòu)分為被動和主動散熱。被動散熱一般選用具有高肋化系數(shù)的翅片，通過翅片和空氣間的自然對流將熱量耗散到環(huán)境中。該方案結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，但由于自然對流換熱系數(shù)較低，只適合于功率密度較低，集成度不高的情況。對于大功率LED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。
在系統(tǒng)集成方面，臺灣新強光電公司采用系統(tǒng)封裝技術(SiP), 并通過翅片＋熱管的方式搭配高效能散熱模塊，研制出了72W、80W的高亮度白光LED光源，如圖5（a）。由于封裝熱阻較低（4.38℃/W）,當環(huán)境溫度為25℃時，LED結(jié)溫控制在60℃以下，從而確保了LED的使用壽命和良好的發(fā)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）。
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（四）封裝大生產(chǎn)技術
晶片鍵合（Wafer bonding）技術是指芯片結(jié)構(gòu)和電路的制作、封裝都在晶片（Wafer）上進行，封裝完成后再進行切割，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(jié)構(gòu)和電路在晶片上完成后，即進行切割形成芯片（Die），然后對單個芯片進行封裝（類似現(xiàn)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(zhì)量更高。由于封裝費用在LED器件制造成本中占了很大比例，因此，改變現(xiàn)有的LED封裝形式（從芯片鍵合到晶片鍵合），將大大降低封裝制造成本。此外，晶片鍵合封裝還可以提高LED器件生產(chǎn)的潔凈度，防止鍵合前的劃片、分片工藝對器件結(jié)構(gòu)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。
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此外，對于大功率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(jié)構(gòu)，盡可能減少熱學和光學界面數(shù)，以降低封裝熱阻，提高出光效率。
（五）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(jié)構(gòu)和工藝有關。LED的使用壽命以平均失效時間（MTTF）來定義，對于照明用途，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。由于LED壽命長，通常采取加速環(huán)境試驗的方法進行可靠性測試與評估。測試內(nèi)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(huán)（85℃～－55℃）、熱沖擊、耐腐蝕性、抗溶性、機械沖擊等。然而，加速環(huán)境試驗只是問題的一個方面，對LED壽命的預測機理和方法的研究仍是有待研究的難題。
三、固態(tài)照明對大功率LED封裝的要求
與傳統(tǒng)照明燈具相比，LED燈具不需要使用濾光鏡或濾光片來產(chǎn)生有色光，不僅效率高、光色純，而且可以實現(xiàn)動態(tài)或漸變的色彩變化。在改變色溫的同時保持具有高的顯色指數(shù)，滿足不同的應用需要。但對其封裝也提出了新的要求，具體體現(xiàn)在：
（一）模塊化
通過多個LED燈（或模塊）的相互連接可實現(xiàn)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。
（二）系統(tǒng)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(jié)構(gòu)和工藝，以及優(yōu)化內(nèi)/外光學設計，以提高整個系統(tǒng)效率。
（三）低成本
LED燈具要走向市場，必須在成本上具備競爭優(yōu)勢（主要指初期安裝成本），而封裝在整個LED燈具生產(chǎn)成本中占了很大部分，因此，采用新型封裝結(jié)構(gòu)和技術，提高光效/成本比，是實現(xiàn)LED燈具商品化的關鍵。
（四）易于替換和維護
由于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燈具設計易于改進以適應未來效率更高的LED芯片封裝要求，并且要求LED芯片的互換性要好，以便于燈具廠商自己選擇采用何種芯片。
LED燈具光源可由多個分布式點光源組成，由于芯片尺寸小，從而使封裝出的燈具重量輕，結(jié)構(gòu)精巧，并可滿足各種形狀和不同集成度的需求。唯一的不足在于沒有現(xiàn)成的設計標準，但同時給設計提供了充分的想象空間。此外，LED照明控制的首要目標是供電。由于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(zhuǎn)換電路或嵌入式控制電路（ASICs），以實現(xiàn)先進的校準和閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。此外，通過數(shù)字照明控制技術，對固態(tài)光源的使用和控制主要依靠智能控制和管理軟件來實現(xiàn)，從而在用戶、信息與光源間建立了新的關聯(lián)，并且可以充分發(fā)揮設計者和消費者的想象力。
四、結(jié)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封裝不僅是一門制造技術（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(zhì)的理解和應用。LED封裝設計應與芯片設計同時進行，并且需要對光、熱、電、結(jié)構(gòu)等性能統(tǒng)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(jié)構(gòu)（如熱學界面、光學界面）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。對于LED燈具而言，更是需要將光源、散熱、供電和燈具等集成考慮。
致 謝：
衷心感謝馬澤濤、袁柳林、周波、陳偉、石雄、宋鏡明、劉宗源、王愷、程婷等的辛勤工作與研究成果。
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