1.LED封装作用

LED封装技术大都是在分立器件封装技术的基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的芯片被密封在封装体内，封装的作用主要是保护芯片和完成电气连接。而LED封装则是完成输入电信号、保护芯片正常工作、输出可见光的功能，既有电参数又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装技术用于LED的封装。

LED的核心发光部分是由P型和N型半导体构成的PN结芯片，当注入PN结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光、紫外光或近红外光。但PN结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此并不是芯片产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料的质量、芯片结构及几何形状、封装的内部结构与包封材料，采用的封装技术要能提高LED的内、外部量子效率。常规Φ5mm型LED封装是将边长为0.25mm的正方形芯片粘结或烧结在引线架上，芯片的正极通过球形接触点与金丝键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集芯片侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，其作用是：

1）机械保护，保护芯片等不受外界侵蚀，以提高可靠性。

2）光学控制，提高出光效率，优化光束分布。采用不同的形状和不同性质材料（掺或不掺散色剂），可起到透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角。

3）LED封装要求LED芯片产生的光线可以高效率取至外部，因此封装必须具备高强度、高绝缘性、高热传导性与高反射性。芯片折射率与空气折射率相关较大，致使芯片内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分在芯片内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡可提高芯片的光出射效率。

4）LED的封装除了保护内部LED芯片之外，还兼具LED芯片与外部作电气连接、散热等功能，以降低芯片结温，提高LED的性能。

5）供电管理，包括AC/DC转换以及电源控制等。

用作构成LED外壳的环氧树脂须具有耐湿性、绝缘性、高的机械强度，对芯片发出的光的折射率和透射率要高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子取出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与芯片结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到LED的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面，其相应视角将增大。

传统高散热封装是将LED芯片设置在金属基板上，周围再包覆树脂。然而这种封装方式的金属热膨胀系数与LED芯片差异相当大，当温度变化非常大或是封装作业不当时极易产生热歪斜，进而引发芯片瑕疵或是发光效率降低。未来LED芯片面临大型化发展时，热歪斜问题势必变成无法忽视的问题，针对上述问题，具备接近LED芯片的热膨胀系数的陶瓷是解决热歪斜问题的非常好的材料。

一般情况下，LED的发光波长随温度变化为0.2～0.3nm/℃，光谱宽度随之增加，影响颜色的鲜艳度。另外，当正向电流流经PN结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应地减少1%左右，所以保持色纯度与发光强度非常重要。以往多采用减少驱动电流的办法降低结温，多数大功率LED的驱动电流在350mA以上。目前，很多大功率LED的驱动电流可以达到700mA甚至1A级，因此需要改进封装结构，全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术可改善LED的热特性。例如，采用大面积芯片倒装结构、选用导热性能好的银胶、增大金属支架的表面积、焊料凸点的硅载体直接装在热衬上等方法。此外，在LED应用设计中，PCB等的热设计、导热性能也十分重要。

进入21世纪后，LED的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，红、橙光LED光效已达到100lm/W，绿光LED为501m/W，单只LED的光通量也达到数十流明。LED芯片和封装不在沿龚传统的设计理念与制造生产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅限于改变材料内杂质数量、晶格缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善芯片及封装内部结构，增强LED内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热，取光和热衬优化设计，改进光学性能，加速大功率LED封装技术的创新都是LED研发的主流方向。

2.LED产品的封装结构类型

自20世纪90年代以来，LED芯片及材料制作技术的研发取得多项突破，透明衬底梯形结构、纹理表面结构、芯片倒装结构，使大功率LED产品实用化。LED的上、中游产业的发展，进一步推动了下游的封装技术及产业发展，采用不同封装结构形式与尺寸，不同发光颜色的芯片及其双色或三色组合方式可生产出多种系列、品种、规格的LED产品。

LED产品封装结构的类别见表2-21。也有根据发光颜色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等特征来分类的。单个芯片一般构成点光源，多个芯片组装在一起可构成面光源和线光源。表面贴装LED可逐渐替代引脚式LED，使应用设计更为灵活。

表2-21 LED产品封装结构的类别

（续）

（1）引脚式封装

LED引脚式封装采用引线架作各种封装外形的引脚，是最先研发成功并投放市场的封装结构，品种数量繁多，技术成熟度较高，封装内结构与反射层仍在不断改进。典型的LED封装是将LED芯片安置在能承受0.1W输入功率的包封内，其90%的热量是由负极的引脚架散发至PCB，再散发到空气中。如何降低LED工作时PN结的温升是封装与应用必须考虑的。包封材料多采用高温固化环氧树脂，其光性能优良，工艺适应性好，产品可靠性高，可做成有色透明或无色透明和有色散射或无色散射的透镜封装，不同的透镜形状构成多种外形及尺寸。例如，圆形按直径分为Φ2mm、Φ3mm、Φ4.4mm、Φ5mm、Φ7mm等数种，环氧树脂的不同组份可产生不同的发光效果。多色点光源有多种不同的封装结构：

1）陶瓷底座环氧树脂封装具有较好的工作温度性能，引脚可弯曲成所需形状，体积小。

2）金属底座塑料反射罩式封装是一种节能指示灯，适合作电源指示用。

3）闪烁式将CMOS振荡电路芯片与LED芯片组合封装，可自行产生较强的闪烁光。

4）双色型由两种不同发光颜色的芯片组成，封装在同一环氧树脂透镜中，除双色外还可获得第三种混合色，在大屏幕显示系统中的应用极为广泛，并可封装组成双色显示器件。

5）电压型是将恒流源芯片与LED芯片组合封装，可直接替代5～24V的各种电压指示灯。

6）面光源型是多个LED芯片粘结在微型PCB的规定位置上，采用塑料反射框罩并灌封环氧树脂而形成，PCB的不同设计确定外引线的排列和连接方式，有双列直插与单列直插等结构形式。

（2）表面贴装封装

为了利用自动化组装技术降低制造成本，从20世纪80年代开始逐渐推广使用表面贴装的LED器件，20世纪90年代这一技术得到了进一步强化。最初的SMT-LED作为低功率器件被主要用于指示设备和手机键盘的照明，后来又开发出大功率的SMT器件用于汽车面板照明、刹车灯，并扩展用于通用的照明。

SMT是移动电话的主要技术要求，具有极大的市场发展潜力。手机功能的不断升级也进一步提出了对更高性能的LED的需求，手机设计中需要多种多样的LED，包括更高亮度的单色LED器件、真彩LCD显示屏（特别是第2.5代和第3代手机的LCD）背光源用的白色LED以及实现产品差异化所需的蓝色和紫罗兰色等特殊色LED。同时，由于手机的复杂度越来越高，体积也越来越小，对LED提出了更薄、更小外形的封装要求。特别是要求高性能LED能提供芯片级的表贴封装，即工业标准的1.6×0.8mm外形尺寸。

目前，表面贴装封装的LED（SMD-LED）逐渐被市场所接受，并获得一定的市场份额，从引脚式封装转向SMD符合整个电子行业发展大趋势。早期的SMD-LED大多采用带透明塑料体的SOT-23改进型，外形尺寸为3.04×1.11mm。在SOT-23基础上，研发出了带透镜的高亮度SMD的SLM-125系列和SLM-245系列LED，SLM-125系列LED为单色发光，SLM-245系列LED为双色或三色发光。近些年，SMD-LED成为一个发展热点，很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题，采用更轻的PCB和反射层材料，在显示反射层需要填充的环氧树脂更少，并去除了较重的碳钢材料引脚，通过缩小尺寸、降低重量，可轻易地将产品重量减轻一半，最终使产品更趋于完善，尤其适合户内、半户外型全彩显示屏的应用。

常见的SMD-LED的几种尺寸见表2-22。SMD-LED焊盘是其散热的重要通道，厂商提供的SMD-LED的数据都是以4.0×4.0mm的焊盘为基础的，采用回流焊可设计成焊盘与引脚相等。高亮度LED产品可采用PLCC-2封装（塑封带引线片式载体），外形尺寸为3.0×2.8mm，通过独特的方法装配高亮度芯片，产品的热阻为400K/W，可按CECC方式焊接，其发光强度在50mA驱动电流下可达1250mcd。七段式的一位、两位、三位和四位数码SMD-LED显示器件的字符高度为5.08～12.7mm，显示尺寸选择范围宽。表面贴装封装避免了引脚七段数码显示器所需的手工插入与引脚对齐工序，符合自动拾取贴装设备的生产要求，应用设计空间灵活，显示鲜艳清晰。多色表面贴装封装带有一个外部反射器，可简便地与芯片相结合，用反射型替代目前的透射型光学设计，可为大范围区域提供统一的照明。

表2-22 常见的SMD-LED的几种尺寸

3.LED封装材料

（1）接合剂

接合剂分别使用环氧系材料、玻璃、锡、金共晶合金等材料。LED芯片用接合剂除了具有高热传导性外，基于接合时降低热应力的要求，应具有低温接合与低杨氏系数，而符合这些条件的接合剂分别是环氧系材料充填银的环氧树脂与金共晶合金系的Au-Sn。

接合剂的包覆面积与LED芯片的面积几乎相同，因此无法期待水平方向的热扩散，只能希望于垂直方向的高热传导性。根据模拟分析结果显示LED接合部的温差，热传导性非常优秀的Au-Sn比低散热性银充填环氧树脂接合剂更优秀。

1）环氧树脂。以透明无色、杂质含量低、粘度低为原则。高档产品应选用道化学的331J、南亚的127、日本三井的139、大日本油墨的EP4000系列环氧树脂，中低档产品可采用宏昌的127系列环氧树脂。

2）活性稀释剂。一般采用脂环族的双官度活性稀释剂，但国内基本上不能生产，中低档产品可用南亚的AGE代替，但AGE对固化后的强度有影响，交联度也不够。如果树脂的粘度较低，可以不选择添加稀释剂。

3）消泡剂。以相容较好、消泡性好、无低沸点溶剂为准则。可选用BYK-A530、BYK-066、BYK-141、德谦6500等系列的消泡剂。

4）调色剂。一般以20%的透明油容性染料添加80%的主体环氧树脂后，加温搅拌混溶即可小量添加，可消除树脂及其他材料添加造成的微黄色，并可保证固化后颜色的纯正。透明油容性染料的选择，需具备至少150～180℃的耐温条件，以防止加温固化时变色。可选用拜尔PEG-400系列调色剂。

5）脱模剂。以脱模效果好、相容好、颜色浅为原则。可选用广州科拉司公司（BYK代理商）的FINT-900、无锡三山电子材料厂的TMA脱模剂。

（2）固化剂材料

1）甲基六氢苯酐。国内的产品一般游离酐含量偏高，只适用于中低档产品生产。高档产品应采用意大利LONZA公司的产品。

2）促进剂。酸酐体系可采用季铵盐，如国内研发的四丁基溴化胺、四乙基溴化胺，但是四乙基溴化胺的相容性可能不太好，可先用醇类如苯甲醇、甘油稀释后再使用，但会影响强度。

3）抗氧剂。主要防止酸酐高温固化时被氧化。要求相容好，颜色浅，中低档产品可选用通用的264系列抗氧剂。

（3）粘结材料

目前，LED的光电转换效率较低，70%甚至更高的电能转换成热量。分析LED器件结构和材料组成，发现由于LED封装结构和封装材料的影响，芯片侧表面和上表面的散热能力极差。因此，LED产生的热量绝大部分是通过热传导的方式传到芯片底部的热衬，再以热对流的方式耗散掉。

1）导热胶。环氧树脂和有机硅作为聚合物本身散热性能较差，导热胶是在基体内部加入一些高导热系数的填料，如SiC、AlN、Al₂O₃、SiO₂等，从而提高其导热能力。导热胶的优点是价格低廉，具有绝缘性能，工艺简单，控制也没有银浆那么严格，但导热性普遍较差。

2）导电银浆。导电银浆是将银粉加入环氧树脂中形成的一种复合材料，粘贴的硬化温度一般低于200℃，具有良好的导热特性、粘结性能可靠等优点，但银浆对光的吸收比较大，导致光效下降。同样的条件下，银浆与导热胶相比，初始光通量会相差较多。小功率LED芯片的发热量少，所以通过导电银浆作为粘结层完全可以满足散热性好、寿命长及可靠性高的要求。

高导热导电银胶是LED生产封装中不可缺的一种胶剂，对导电银胶的要求是导电、导热性能要好，剪切强度要大，并且粘结力要强。BQ-6886系列大功率LED高导热、导电银胶具有导电性好、剪切力强、流变性好，并且吸潮性低的优点，特别适合大功率LED的封装。此高导热银胶的导热系数为25.8；剪切强度为14.7，为行业之最。

在LED的散热性要求不高的情况下，LED多利用传统环氧树脂基板进行封装。随着LED大功率化与高效率化技术的发展，再加上蓝光LED发光效率大幅改善，与LED制造成本的持续下降，LED的应用范围不断扩大，包括液晶、家电、汽车等，例如消费性产品对于大功率LED的期待是能达到省电、高亮度、长使用寿命、高色再现性，这代表着大功率LED要达到高散热性能。

3）灌封胶。在LED的使用过程中，复合产生的光子在向外发射时易损失，很多光线无法从芯片中射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层（如硅胶），由于该胶层处于芯片和空气之间，从而能有效地减少光子在界面的损失，提高了取光效率。此外，LED灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护、应力释放，并可作为一种光导结构。因此，要求灌封胶具有高透光率、高折射率、好的热稳定性和流动性、易于喷涂等特性。为提高LED封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐温环保等特性。

目前，常用的灌封胶包括环氧树脂和有机硅，环氧树脂的耐热性不高、透光率低，但可以通过化学方法改变环氧树脂的性质，例如AlOkuno等人研制出一种特别的透光环氧树脂灌封胶。而有机硅由于具有透光率高（可见光范围内透光率大于99%）、折射率高（114～115）、热稳定性好（能耐受200℃高温）、应力低（杨氏模量低）、吸湿性低（小于0.12%）等特点，明显优于环氧树脂，在大功率LED的封装中将得到广泛应用。

4）合金焊料。大功率LED芯片由于发热较多，所以对粘结剂的要求更为严格。一般粘结剂如导热胶、导电银浆都无法满足要求，只能考虑硬钎料。最为常用的钎料有三种：Au-Sn、Au-Ge和Au-Si。LED对高温比较敏感，共晶键合温度分别为361℃、363℃，Au-Ge、Au-Si不合适，而Au-Sn的共晶温度只有280℃，完全适合做大功率LED芯片的粘结材料，可克服传统工艺键合层产生的大量空洞。

5）高导热系数软性硅胶导热绝缘垫。高导热系数软性硅胶导热绝缘垫被广泛地应用在LED照明、汽车、显示器、计算机和电源等电子设备行业。表面构造密合接触，减少空气热阻抗，利用本身所具备的导热特性，最大程度地满足器件的工艺传热要求，提升器件的使用功率及延长使用寿命，在高温160℃条件下持续测试，性能稳定，配合铝基板可满足大功率LED灯具对散热的需求。

软性导热硅胶绝缘垫是传热界面材料中的一种，是片状材料，可根据发热功率器件的大小及形状任意裁切，具有良好的导热能力和绝缘特性。其作用是填充发热功率器件与散热器之间的间隙，是替代导热硅脂导热膏加云母片（绝缘材料）的二元散热系统的理想产品。产品厚度从0.5～5mm不等，根据特殊要求可增至12mm。

LED散热解决方案是以总体散热和热阻的观念为基础，热阻要低不仅是要用对导热胶，还要改善导热胶所接合的各种介质的介面热阻，例如磊晶与基板、基板与散热模组。如果在磊晶黏着时，就以高导热导电银胶BQ-6886系列来固晶。LED芯片至封装体的热传导可采用胶体来把热量传导出去，对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿LED芯片，可以采用高导热BQ-6886系列导电银胶，对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用导热绝缘胶FS-1100来固定芯片。

电路板与导热基板间采用高导热绝缘浆料FS-2800，再与散热基板FS-3800系列黏合，这样能彻底降低总体热阻，让LED的效率更为有效地发挥。封装体至外部的热传导采用陶瓷或者金属高散热基板材料来把热量传导至外部。不过仅依赖封装基板往往无法满足实际需求，因此基板外围材料的配合也变得更加重要。例如配合3W/m·K的导热导电相变材料BQ-9111和导热绝缘相变材料BQ-9666就能够更有效地提高其散热性。

4.LED封装新技术

（1）芯片黏贴技术

因为LED所产生的光线在经过多次全反射后，大部分都被半导体材料本身与封装材料所吸收，因此若使用会吸光的GaAs作为AlGaInP-LED的基板将使得LED内部的吸收损失变得更大，从而大幅降低组件的取光效率。为了减少基板对LED所发出光线的吸收，研发出了透明基板黏贴技术。透明基板黏贴技术主要是将LED芯片先在高温环境下施加压力，并将透明的GaP基板黏贴上去，之后再将GaAs除去，如此便可提高两倍的光线取出率。芯片黏贴技术目前主要还是应用在四元LED组件上，将此技术运用在GaN-LED上可将蓝光LED取光效率提升至75%。

（2）覆晶封装技术

对于使用蓝宝石基板的GaN系列的材料，因为其P极和N极的电极必须做在组件的同一侧，因此若使用传统的封装方法，占组件大部分发光角度的上方发光面将会因为电极的挡光而损失一定程度的光量。而将传统的组件反置，并在P型电极上方制作反射率较高的反射层，用以将原先从组件上方发出的光线从组件其他的发光角度导出，并由蓝宝石基板端缘取光。这样的方法因为降低了在电极侧的光损耗，可有接近传统封装方式两倍左右的光量输出。另一方面，因为覆晶结构可直接由电极或是凸块与封装结构中的散热结构直接接触，从而可大幅提升组件的散热效果，进一步提升组件的光量。

5.封装技术的发展趋势

1）采用大面积芯片封装。用1×1mm²的大尺寸芯片取代0.3×0.3mm²的小芯片封装，在芯片注入电流密度不能大幅度提高的情况下，采用大面积芯片封装是一种主要的技术发展趋势。

2）开发新的封装材料。开发新的安装在LED芯片底板上的具有高导热率的材料，从而使LED芯片的工作电流密度提高5～10倍。就目前的趋势看来，金属基板材料的选择主要是以高热传导系数的材料，如铝、铜甚至陶瓷材料等为主，但这些材料与芯片间的热膨胀系数差异甚大，若将其直接接触很可能因为在温度升高时材料间产生应力而造成可靠性问题，所以一般都会在材料间加上兼具传导系数及膨胀系数的中间材料作为间隔。

LED有很多光线因折射而无法从LED芯片中照射到外部，为此开发了在芯片表面涂了一层折射率处于空气和LED芯片之间的硅类透明树脂，并且通过使透明树脂表面带有一定的角度，从而使得光线能够高效照射出来，此举可将发光效率大约提高到原产品的2倍。

目前，对于传统的环氧树脂因热阻高，抗紫外老化性能差，研发高透光率、耐热、高热导率、耐紫外和日光辐射及抗潮的封装树脂也是一个趋势。在焊料方面，要适应环保要求，开发无铅低熔点焊料，而且进一步开发有更高导热系数和对LED芯片应力小的焊料是一个重要的课题。

3）多芯片集成封装。目前，大尺寸芯片封装还存在发光的均匀和散热等问题，采用常规芯片进行高密度组合封装的大功率LED可以获得较高的发光通量，是一种切实可行的很有推广前景的大功率LED固体光源。小芯片工艺相对成熟，各种高热导绝缘夹层的铝基板便于芯片集成和散热。

4）平面模块化封装。平面模块化封装是封装技术的另一个发展方向，这种封装的好处是由模块组成光源，其形状、大小具有很大的灵活性，非常适合于室内光源设计，芯片之间的级联和通断保护是一个难点。

6.大功率LED对封装技术的要求

目前，多数的封装方式很明显无法满足今天与未来的应用需求。对于大功率LED的封装厂商来说，一个主要的挑战来自于热处理问题。对大功率LED封装技术而言，由于散热问题造成了一定程度的困扰，在此背景下具有高成本效益的金属基板技术就成了LED高效率化之后的另一个备受关注的新发展方向。

就热传导的改善来说，几乎是完全依赖于材料提升来解决问题。多数人认为，随着LED芯片大型化、大电流化、高功率化的发展，会加速金属封装取代传统树脂封装的方式。有关大功率LED的封装结构，要求能够支持LED芯片磊晶接合的微细布线技术。有关材质的发展，虽然氮化铝已经高热传导化，但高热传导与反射率的互动关系却成为另一个问题，一般认为未来若能提高氮化铝的热传导率，对大功率LED的封装材料具有正面助益，仍需进一步的研发和探讨。在LED器件的核心，也有尝试通过改善金线的制作程式，改用覆晶或共晶的模式将芯片与外部进行连结，取得供应电源的设计方式。而通过此方法制成的LED器件，内部连接芯片的导线从点的接触一举变成面的连结，热传导的基础条件大幅强化，自然也能加速内部的热源散逸到器件外部。但共晶或覆晶的制作成本较高，对于基板的精密度要求极高，假若基板的平整度不佳，也会影响成品的优良率，其技术成熟度仍需要时间考验。

从实际应用的角度来看，安装使用简单、体积相对较小的大功率LED器件在大部分的照明应用中必将取代传统的小功率LED器件。小功率LED组成的照明灯具为了达到照明的需要，必须集中许多个LED的光能才能达到设计要求。带来的缺点是线路异常复杂、散热不畅，为了平衡各个LED之间的电流、电压关系必须设计复杂的驱动电路。相比之下，大功率LED的功率远大于若干个小功率LED的功率总和，供电线路相对简单，散热结构完善，物理特性稳定。大功率LED器件代替小功率LED器件成为主流半导体照明器件是必然的。但是对于大功率LED器件的封装并不能简单的套用传统的小功率LED器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率，大的发热量，高的出光效率给LED封装工艺、封装设备和封装材料提出了新的、更高的要求。

美、日厂商均已量产发光效率在100～120lm/W以上的大功率LED，超出了传统最高效率的HID光源（发光效率为90～110lm/W）。大功率LED的应用面不断扩大，由于LED芯片输入功率的不断提高，对这些大功率LED的封装技术提出了更高的要求。大功率LED封装技术主要应满足以下两点要求：

1）封装结构要有高的取光效率。

2）热阻要尽可能低，这样才能保证大功率LED的光电性能和可靠性。

大功率LED封装的发展经历了几个阶段，封装结构的设计基本上围绕这两个问题。其中，为降低热阻而设计的封装结构较多，为提高光取出效率而作的努力基本上集中在提高硅胶的折射系数上。事实上，如果单纯的提高硅胶的折射系数，一方面，从芯片到硅胶的光取出效率有所提高，但是另一方面，从硅胶到空气的光取出效率却有所降低。

提高大功率LED发光效率的关键技术之一是大功率LED芯片的封装技术。在大功率LED封装中主要需考虑的问题有两个：散热与出光。大功率LED封装由于结构和工艺复杂，并直接影响到LED的使用性能和寿命，一直是近年来的研究热点，特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。

LED的封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电、机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展，LED封装先后经历了支架式、贴片式、功率型LED等发展阶段。随着芯片功率的增大，特别是固态照明技术发展的需求，对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻，提高出光效率，必须采用全新的技术思路来进行封装设计。(www.daowen.com)

大功率LED封装发展得很快，封装结构的创新使得光取出效率和导热性能有了极大的提高，体积减小，成本降低。大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面。大功率白光LED封装技术如图2-63所示。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从工艺兼容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与芯片设计同时进行，即芯片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等芯片制造完成后，可能由于封装的需要会对芯片结构进行调整，从而延长了产品研发周期并增加了工艺成本。就目前的封装技术而言，大功率LED封装的关键技术包括：低热阻封装技术、高取光率封装结构、阵列封装与系统集成技术和金属键合技术。

图2-63 大功率白光LED封装技术

7.功率型封装

LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比Φ5mm的LED大10～20倍的光通量，必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题。因此，外壳及封装是其关键技术，能承受数瓦功率的LED封装已出现。5W系列白、绿、蓝绿、蓝功率型LED已推向市场，白光LED的光输出达187lm，光效为44.3lm／W，并开发出可承受10W功率的LED，采用大面积芯片，尺寸为2.5×2.5mm，可在5A电流下工作，光输出达200lm，作为固体照明光源有很大的发展空间。全新的LED功率型封装设计理念主要归为两类：一类为单芯片功率型封装；另一类为多芯片功率型封装。

（1）功率型LED的单芯片封装

美国Lminled公司研制的Luxeon系列大功率LED单芯片封装结构，这种功率型单芯片LED封装结构与常规的LED（φ5mm）封装结构全然不同，它是将正面出光的LED芯片直接焊接在热衬上，或将背面出光的LED芯片先倒装在具有焊料凸点的硅载体上，然后再将其焊接在热衬上，使大面积芯片在大电流下工作的热特性得到改善。这种封装对于取光效率、散热性能和电流密度的设计都是最佳的。其主要特点有：

1）热阻低。常规φ5mm型LED采用较小的芯片尺寸和传统环氧树脂封装具有很高的热阻，而这种新型封装结构的热阻一般仅为14℃/W，比常规LED减小约20倍。

2）可靠性高。内部填充稳定的柔性胶凝体，在40～120℃的范围内不会因温度骤变产生的内应力使金丝和框架引线断开。用这种硅橡胶作为光耦合的密封材料，不会出现普通光学环氧树脂那样的变黄现象，金属引线框架也不会因氧化而沾污。

3）反射杯和透镜的最佳设计使辐射可控和光学效率最高。在应用中可将它们组装在一个带有铝夹层的电路板上，电路板作为器件电极连接布线用，铝芯夹层则可作为功率型LED的热衬，这样不仅可获得较高的发光通量，而且还具有较高的光电转换效率。

（2）功率型LED的多芯片组合封装

Norlux系列LED的封装结构采用六角形铝衬底的直径为1.25in，发光区位于其中央部位，直径约为0.375in，可容纳40个LED芯片。用铝板作为热衬，并使芯片的键合引线通过在衬底上做成的两个接触点与正极和负极连接。根据所需输出光功率的大小来确定衬底上排列芯片的数目，组合封装的超高亮度芯片包括AlGaInN和AlGaInP，它们的发射光可为单色、彩色（RGB）、白色（RGB三基色合成或蓝色黄色二元合成）。最后采用高折射率的材料按照光学设计形状进行封装，不仅取光效率高，而且还能够使芯片和键合引线得到保护。采用RGB三基色合成白光的组合封装模块当混色比为0:43R:0.48G:0.009B时，发光通量典型值为100lm，CCT标准色温为4420K，色坐标x为0.3612，y为0.3529。由此可见，这种采用常规芯片进行高密度组合封装的功率型LED可以达到较高的亮度水平，具有热阻低，可在大电流下工作和较高的光输出功率的特性。3

多芯片组合封装的大功率LED，其结构和封装形式较多。LaninaCeramics公司推出了采用该公司独有的在金属基板上低温烧结陶瓷（LTCC-M）技术封装的大功率LED阵列。松下公司推出了由64只芯片组合封装的大功率白光LED。日亚公司推出了超高亮度白光LED，其光通量可达600lm，输出光束为1000lm时，耗电量为30W，最大输入功率为50W，白光LED模块发光效率达33lm/W。我国台湾UEC公司（国联）采用金属键合（MetalBonding）技术封装的MB系列大功率LED的特点是用Si代替GaAs衬底，散热好，并以金属黏结层作光反射层，提高光输出。

大功率LED器件的顶部透镜的光学设计也是十分重要的，通常的做法是：在进行光学透镜设计时应充分考虑最终照明器具的光学设计要求，尽量配合应用照明器具的光学要求进行设计。

常用的透镜有：凸透镜、凹锥透镜、球镜、菲涅尔透镜、组合式透镜等。理想的透镜与大功率LED器件装配的情况应采取气密性封装，如果受透镜形状所限也可采取半气密性封装。透镜材料应选择高透光的玻璃或亚克力等合成材料。也可以采用传统的环氧树脂模组式封装，加上二次散热设计也基本可以达到提高出光率的效果。

（3）功率型LED的发展

功率型LED的实用化，使LED的应用从室内走向室外。因此，功率型LED的研发和产业化将成为今后发展的另一重要方向，其技术关键是不断提高发光效率和每一个器件（组件）的发光通量。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD外延生长技术和多量子阱结构，虽然其内量子效率还需进一步提高，但获得高光通量的最大障碍仍使芯片的取光效率很低。若沿用传统的LED封装结构，工作电流一般被限定为20mA。按照这种常规理念设计和制作的功率型LED根本无法达到高效率和高光通量的要求。为提高功率型LED的发光效率和发光通量，必须采用新的设计理念，一方面通过设计新型芯片结构来提高取光效率；另一方面通过增大芯片面积，加大工作电流，采用低热阻的封装结构来提高器件的光电功率转换效率。

注：1in=0.0254m。因此，设计和制作新型芯片和封装结构，不断提高器件的取光效率和光电转换效率一直是功率型LED发展中至关重要的课题。

功率型LED扩展了LED的应用领域，功率型LED结构的进步，取光和热衬优化设计使大功率LED的发光效率和发光通量不断提高，由多个φ5mm的LED组装的灯盘和灯头将被由功率型LED组装的灯芯所取代。随着功率型LED性能的改进，LED照明光源引起了照明领域的更大的关注。普通照明市场的需求是巨大的，功率型白光LED技术将更能适应普通照明的应用。只要LED产业能持续这一开发方向，则LED固体照明在未来5～10年将会取得重大的市场突破。

8.大功率LED封装新技术

（1）粗化表面LED封装技术

为了提高LED封装的光取出效率，最新的发展方向之一是对LED封装的表面（硅胶、树脂等的表面）进行粗化，包括向上凸起的粗化结构，如图2-64a所示，向下凹的粗化结构如图2-64b所示。

图2-64 凸起和下凹的粗化结构图

对LED封装的表面进行粗化的理论根据与对LED芯片的表面进行粗化的理论根据相同，即光从光密物质向光疏物质传播时会产生全内反射。LED芯片的表面粗化提高了光取出效率。比较对LED封装的表面进行粗化和对LED芯片的表面进行粗化的效果：假定空气的折射系数n₀=1、硅胶的折射系数n₁=1.5、GaN的折射系数n₂=2.3，则

因为全内反射角θ满足下面的公式：

则

θ₁≈θ₂ （2-42）

可以看出，如果不考虑表面粗化，光从芯片表面出射到硅胶的全内反射角θ₂和光从封装的硅胶表面出射到空气的全内反射角θ₁基本相同。因此，对封装表面进行粗化与对芯片表面进行粗化同等重要。

为了提高芯片表面的光取出效率，LED芯片的表面粗化已成为芯片制造的标准工艺。为了提高LED封装表面的光取出效率，预计对LED封装的表面进行粗化也将成为LED封装的标准工艺。与表面没有粗化的LED封装相比较，粗化表面的LED封装的光取出效率预计（光学模拟）可提高20%～30%。例如，原本120lm的LED封装，进行表面粗化后，预计可达到140～150lm。另外，提高光取出效率的同时，也降低了产生的热量。粗化表面的LED封装适合于背光源和照明应用。

任何表面没有透镜的LED封装（包括集成芯片封装）表面均可以进行表面粗化。粗化表面的形状包括：圆锥状、圆柱状、球面状、不规则状等。粗化方法包括物理方法、化学方法、光学方法。

（2）低热阻封装技术

LED封装热阻主要包括材料（散热基板和热衬结构）内部热阻和界面热阻，散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量，并传导到热衬上，实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括硅、金属（如铝、铜）、陶瓷（如Al₂O₃、AlN、SiC）和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底，将1mm芯片倒装在CuW衬底上，降低了封装热阻，提高了发光功率和效率。LaminaCeramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，如图2-65a所示，并开发了相应的LED封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED芯片和相应的陶瓷基板，然后将LED芯片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热界面少，大大提高了散热性能，为大功率LED阵列封装提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板由陶瓷基板（AlN或Al₂O₃）和导电层（Cu）在高温高压下烧结而成，没有使用粘结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强，如图2-65b所示。其中，氮化铝（AlN）的热导率为160W/m.K，热膨胀系数为4.0×10−6/℃（与硅的热膨胀系数3.2×10−6/℃相当），从而降低了封装热应力。

研究表明，封装界面对热阻的影响也很大，如果不能正确处理界面，就难以获得良好的散热效果。例如，室温下接触良好的界面在高温下可能存在界面间隙，基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。改善LED封装的关键在于减少界面和界面的接触热阻，增强散热。因此，芯片和散热基板间的热界面材料（TIM）的选择十分重要。LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶，由于热导率较低，一般为0.5～2.5W/m.K，致使界面热阻很高。而采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料，可大大降低界面热阻。

图2-65 陶瓷金属基板

LED封装的热阻对于LED芯片的寿命具有决定性的影响，特别是对大电流驱动（大于350mA）的LED芯片。LED封装产品的成本和散热性能取决于封装支架的结构。封装支架正在向体积小、厚度薄、散热好的方向发展。超低热阻大功率LED贴片式封装，如图2-66所示。

图2-66所示是5×5×0.7mm的超低热阻大功率LED贴片式封装。同时，该LED的贴片式封装也可以采用小芯片、多芯片。超低热阻大功率LED贴片式封装由于其小而薄，更适于空间小的应用。除了体积小之外，最重要的优势是超低热阻：R_th<1℃/W。

这一特点给很多应用带来了极大便利，与其他的LED贴片式封装相比较，当维持相同的结温时，则降低了对散热部件的要求；当采用相同的散热部件时，则降低了结温，延长了LED的使用寿命。对大功率LED贴片式封装进行表面粗化，可以得到具有超低热阻的高出光效率的LED贴片式封装。LED贴片式封装也可以加上透镜，以提高出光效率。LED贴片式加上透镜封装，如图2-67所示。

图2-66 超低热阻大功率LED贴片式封装

图2-67 LED贴片式加上透镜封装

在系统集成方面，采用系统封装技术，并通过翅片＋热管的方式搭配高效率散热模块，研制出了72W、80W的大功率白光LED，如图2-68a所示。由于封装热阻较低（4.38℃/W），当环境温度为25℃时，LED结温控制在60℃以下，从而确保了LED的使用寿命和良好的发旋光性能。采用COB封装和微喷主动散热技术，封装出了220W和1500W的超大功率白光LED，如图2-68b所示。

图2-68 大功率白光LED

（3）高取光率封装结构

LED辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括3个方面：

1）芯片内部结构缺陷以及材料的吸收。

2）光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失。

3）由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。

因此，很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层（灌封胶），由于该胶层处于芯片和空气之间，从而有效地减少了光子在界面的损失，提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护，应力释放，并可作为一种光导结构。因此，要求其透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。

为提高LED封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前，常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。硅胶由于具有透光率高、折射率大、热稳定性好、应力小、吸湿性低等特点，明显优于环氧树脂，在大功率LED封装中得到广泛应用，但成本较高。研究表明，提高硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高外量子效率，但硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率降低，从而影响LED光效和光强分布。大功率白光LED封装结构如图2-69所示。

荧光粉的作用在于光色复合，形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性（热和化学）等。其中，发光效率和转换效率是关键。研究表明，随着温度上升，荧光粉量子效率降低，出光减少，辐射波长也会发生变化，从而引起白光LED色温、色度的变化，较高的温度还会加速荧光粉的老化。原因在于荧光粉涂层是由环氧树脂或硅胶与荧光粉调配而成，散热性能较差，当受到紫光或紫外光的辐射时，易发生温度猝灭和老化，使发光效率降低。此外，高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。由于常用荧光粉尺寸在1μm以上，折射率大于或等于1.85，而硅胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配，以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限（30nm），因而在荧光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。通过在硅胶中掺入纳米荧光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低了光散射，提高了LED的出光效率（10%～20%），并能有效改善光色质量。

传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合，然后涂敷在芯片上。由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制，导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光。而Lumileds公司开发的保形涂层技术可实现荧光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性，如图2-69b所示。但研究表明，当荧光粉直接涂覆在芯片表面时，由于光散射的存在，出光效率较低。美国Rensselaer研究所提出了一种光子散射萃取工艺（SPE），通过在芯片表面布置一个聚焦透镜，并将含荧光粉的玻璃片置于距芯片一定的位置，不仅提高了器件的可靠性，而且大大提高了光效（60%），如图2-69c所示。

图2-69 大功率白光LED封装结构

为提高LED的出光效率和可靠性，封装胶层有逐渐被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趋势，通过将荧光粉内掺或外涂于玻璃表面，不仅提高了荧光粉的均匀度，而且提高了封装效率。此外，减少LED出光方向的光学界面数，也是提高出光效率的有效措施。

（4）阵列封装与系统集成技术

LED封装技术和结构先后经历了4个阶段，LED封装技术和结构发展如图2-70所示。

1）引脚式LED封装。引脚式封装是常用的3～5mm封装结构，一般用于电流较小（20～30mA），功率较低（小于0.1W）的LED封装。主要用于仪表显示或指示，大规模集成时也可作为显示屏。其缺点是封装热阻较大（一般高于100K/W），寿命较短。

图2-70 LED封装技术和结构发展

2）表面组装（贴片）式（SMT-LED）封装。表面组装技术（SMT）是一种可以直接将封装好的器件贴、焊到PCB表面指定位置上的一种封装技术。具体而言，就是用特定的工具或设备将芯片引脚对准预先涂覆了粘结剂和焊膏的焊盘图形上，然后直接贴装到未钻安装孔的PCB表面上，经过波峰焊或再流焊后，使器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接。SMT技术具有可靠性高、高频特性好、易于实现自动化等优点，是电子行业最流行的一种封装技术和工艺。

3）板上芯片直装式（COB）LED封装。COB是板上芯片直装ChipOnBoard的英文缩写，是一种通过粘胶剂或焊料将LED芯片直接粘贴到PCB上，再通过引线键合实现芯片与PCB间电极互连的封装技术。PCB可以是低成本的FR₄材料（玻璃纤维增强的环氧树脂），也可以是高热导的金属基或陶瓷基复合材料基板（如铝基板或覆铜陶瓷基板等）。而引线键合可采用高温下的热超声键合（金丝球焊）和常温下的超声波键合（铝劈刀焊接）。COB技术主要用于大功率多芯片阵列的LED封装，同SMT相比，不仅提高了封装功率密度，而且降低了封装热阻。

4）系统封装式LED封装。SiP（SysteminPackage）是近几年来为适应整机的便携式发展和系统小型化的要求，在系统芯片SOC（SystemonChip）基础上发展起来的一种新型封装集成方式。对SiP-LED而言，不仅可以在一个封装内组装多个发光芯片，还可以将各种不同类型的器件（如电源、控制电路、光学微结构、传感器等）集成在一起，构建成一个更为复杂的、完整的系统。同其他封装结构相比，SiP具有工艺兼容性好（可利用已有的电子封装材料和工艺）、集成度高、成本低、可提供更多的新功能、易于分块测试、开发周期短等优点。按照技术类型的不同，SiP可分为四种：芯片层叠型、模组型、MCM型和三维（3D）封装型。

高亮度LED器件要作为照明应用，必须提高总的光通量，或者说可以利用的光通量。而光通量的增加可以通过提高集成度、加大电流密度、使用大尺寸芯片等措施来实现。而这些都会增加LED的功率密度，如散热不良，将导致LED芯片的结温升高，从而直接影响LED器件的性能（如发光效率降低、出射光发生红移、寿命降低等）。多芯片阵列封装是目前获得高光通量的一个最可行的方案，但是LED阵列封装的密度受限于价格、可用的空间、电气连接，特别是散热等问题。由于发光芯片的高密度集成，散热基板上的温度很高，必须采用有效的热衬结构和合适的封装工艺。常用的热衬结构分为被动和主动散热。被动散热一般选用具有高肋化系数的翅片，通过翅片和空气间的自然对流将热量耗散到环境中。该方案结构简单，可靠性高，但由于自然对流换热系数较低，只适合于功率密度较低，集成度不高的情况。对于大功率LED封装，则必须采用主动散热，如翅片+风扇、热管、液体强迫对流、微通道制冷、相变制冷等。

（5）金属键合技术

芯片键合技术是指芯片结构和电路的制作、封装都在芯片上进行，封装完成后再进行切割，形成单个芯片。与之相对应的芯片键合是指芯片结构和电路在芯片上完成后，即进行切割形成芯片，然后对单个芯片进行封装（类似现在的LED封装工艺）。金属键合技术是一种廉价而有效的制作功率型LED的方式，主要是采用金属与金属或者金属与硅片的键合技术，采用导热良好的硅片取代原有的GaAs或蓝宝石衬底。金属键合型LED具有较强的热耗散能力。晶片键合与芯片键合示意图如图2-71所示。很明显，芯片键合封装的效率和质量更高。由于封装费用在LED器件的制造成本中占了很大比例，因此，改变现有的LED封装形式（从芯片键合到芯片键合）将大大降低封装制造成本。此外，芯片键合封装还可以提高LED器件生产的洁净度，防止键合前的划片、分片工艺对器件结构的破坏，提高封装成品率和可靠性，因而是一种降低封装成本的有效手段。

图2-71 晶片键合与芯片键合示意图

此外，对于大功率LED封装，必须在芯片设计和封装设计过程中尽可能采用工艺较少的封装形式，同时简化封装结构，尽可能减少热学和光学界面数，以降低封装热阻，提高出光效率。

（6）封装材料的改变

当然，发热的问题不是只会对LED的亮度表现带来影响，同时也会对LED本身的寿命带来影响，所以在这一部分，不断地开发出新的封装材料。过去用来作为封装材料的环氧树脂，耐热性比较差，可能会出现在LED芯片本身的寿命到达前，环氧树脂就已经出现变色的情况。因此，提高散热性是相当的重要。

除此之外，不仅因为热现象会对环氧树脂产生影响，短波长也会对环氧树脂造成一些影响。这是因为白光LED的发光光谱中也包含了短波长光线，而环氧树脂却相当容易被白光LED中的短波长光线破坏，即使低功率的白光LED也会对环氧树脂造成破坏，更何况高功率的白光LED所含的短波长的光线更多，那么恶化自然也加速，甚至有些产品在连续点亮后的使用寿命不到5000h。

所以，与其不断的克服因为旧的封装材料带来的困扰，不如开发新一代的封装材料。目前，在解决寿命问题这一方面，许多LED封装厂商都放弃了环氧树脂，而采用硅树脂和陶瓷等作为封装的材料（因为改变了封装材料，可以提高LED的寿命）。

代替环氧树脂的封装材料的硅树脂具有较高的耐热性，根据试验，即使是在150～180℃的高温也不会变色。因为硅树脂能够分散蓝色和近紫外光，所以与环氧树脂相比，硅树脂可以抑制材料因为电流和短波长光线所带来的劣化现象，从而缓和光穿透率下降的速度。

以目前的应用来看，几乎所有的大功率白光LED产品都已采用硅树脂作为封装的材料。短波长光线对封装材料带来的影响，相对于波长400～450nm的光，环氧树脂的光吸收百分比约在个位数左右，但硅树脂对400～450nm的光线吸收百分比却不到百分之一。这样的差别使得在抗短波长方面，硅树脂有着较出色的表现。

所以，就寿命而言，硅树脂可以达到延长白光LED使用寿命的目的，甚至可以达到40000h以上的使用寿命。但是，因为硅树脂是具有弹性的柔软材料，所以在封装的过程中需要特别注意应用的方式。对于未来应用，提高白光LED的光输出效率将是未来发展的关键课题。白光LED的生产技术，从过去的蓝色LED和黄色的YAG荧光体的组合开发出仿真白光，到利用三色混合或者使用GaN材料开发出白光LED，对于应用来说，已经可以看出将会朝向更广泛的方向发展。