1、 大功率照明級LED的封裝技術(shù)從實際應用的角度來看，安裝使用簡單、體積相對較小的大功率LED器件在大部分的照明應用中比較取代傳統(tǒng)的小功率LED器件。小功率的LED組成的照明燈具為了達到照明的需要，必須集中許多個LED的光能才能達到設(shè)計要求。帶來的缺點是線路異常復雜，散熱不暢，為了平衡各個LED之間的電流電壓關(guān)系必須設(shè)計復雜的供電電路。相比之下，大功率單體LED的功率遠大于若干個小功率LED的功率總和，供電線路相對簡單，散熱結(jié)構(gòu)完善，物理特性穩(wěn)定。所以說，大功率LED器件代替小功率LED器件成為主流半導體照明器件是必然的。但是對于大功率LED器件的封裝方法并不能簡單地套用傳統(tǒng)的小功率LED器件的

2、封裝方法與封裝材料。大的耗散功率、大的發(fā)熱量、高的出光效率給LED封裝工藝封裝設(shè)備和封裝材料提出了新的更高的要求。1 大功率LED芯片 要想得到大功率LED器件就必須制備合適的大功率LED芯片。國際上通常的制造大功率LED芯片的方法有如下幾種： 加大尺寸法。通過增大單體LED的有效發(fā)光面積使得流經(jīng)TCL層的電流均勻分布，以達到預期的光通量。但是，簡單地增大發(fā)光面積無法解決散熱問題和出光問題，并不能達到預期的光通量和實際應用效果。 硅底板倒裝法。首先制備出具有適合共晶焊接的大尺寸LED芯片，同時制備出相應尺寸的硅底板，并在硅底板上制作出供共晶焊接的金屬電層及引出導電成（超聲金絲球焊接）。再利用共

3、晶焊接設(shè)備將大尺寸LED芯片與硅底板焊接在一起。這樣的結(jié)構(gòu)較為合理，即考慮了出光問題有考慮到散熱問題，這是目前主流的高功率LED的生產(chǎn)方式。美國LumiLeds公司2001年研制出了AlGaInN功率型倒裝芯片（FC-LED）結(jié)構(gòu)，其制造流程是：首先在外延片頂部的P型GaN淀積厚度大于500A的NiAu層，用于歐姆接觸和背反射；再采用掩模選擇刻蝕掉P型層和多量子阱有源層，露出N型層；經(jīng)淀積刻蝕形成N型歐姆接觸層，芯片尺寸為1mm×1mm，P型歐姆接觸為正方形，N型歐姆接觸以梳狀插入其中，這樣可縮短電流擴展距離，把擴展電阻降至最小；然后 金屬化凸點的AIGaInN芯片倒裝焊接在具有防靜

4、電保護二極管（ESD）的硅載體上。 陶瓷底板倒裝法。先利用LED晶片通用設(shè)備制備出具有適合共晶焊接電極結(jié)構(gòu)的大出光面積的LED芯片和相應的陶瓷底板，并在陶瓷底板上制作出共晶焊接導電層以及映出導電層。之后利用共晶焊接設(shè)備將大尺寸LED芯片與陶瓷底板焊接在一起。這樣的結(jié)構(gòu)考慮了出光問題也考慮到了散熱問題，并且采用的陶瓷底板為高導熱 ，散熱的效果非常理想，價格又相對較低，所以為目前較為適宜的底板材料，并為將來的集成電路一體化封裝預留了 空間。 藍寶石襯底過度法。按照傳統(tǒng)的InGaN芯片制造在藍寶石襯底上生長出PN結(jié)后，將藍寶石襯底切除在連接上傳統(tǒng)的四元材料，制造出上下電極結(jié)構(gòu)的大尺寸藍光LED芯片。

5、 AIGaInN碳化硅（SiC）背面出光法。美國Cree公司采用SiC襯底制造AIGaInN-HB-LED的全球唯一廠家，幾年來AIGaInN/SiC芯片結(jié)構(gòu)不斷改進，亮度不斷提高。由于P型和N型電極分別于芯片的底部和頂部，單引線鍵合，兼容性較好，使用方便，因而成為AIGaInN-LED發(fā)展的另一主流產(chǎn)品。2 功率型封裝：功率LED最早始于HP公司于20世紀90年代初推出“食人魚”封裝結(jié)構(gòu)的LED，并于1994年推出改進型的“Snap LED”，有兩種工作電流，分別為70mA和150mA,輸入功率可達0.3W。功率LED比原支架式封裝的LED輸入功率提高了幾倍，熱阻將為幾分之一。瓦級功率LED

6、是未來照明的核心部分，所以世界各大公司都投入了很大力量，對瓦級功率LED的封裝技術(shù)進行研究開發(fā)。LED芯片及封裝向大功率方向發(fā)展，在大電流下產(chǎn)生比5mm LED大10-20倍的光通量，必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題。因此，官殼及封裝是其關(guān)鍵技術(shù)，能承受數(shù)瓦功率的LED封裝已出現(xiàn)。5W系列白、綠、藍、藍綠的功率型LED從2003年年初開始推向市場，白光LED輸出光通量達187lm，光效為44.3lm/W，并開發(fā)出可承受10W功率的LED，采用大面積管芯，尺寸為×，可在5A電流下工作，輸出光通量達200lm，作為固體照明光源有很大發(fā)展空間。超高亮度LED產(chǎn)品×

7、2.8mm,通過獨特方法裝配高亮度管芯，產(chǎn)品熱阻為400K/W，可按CECC方式焊接，其發(fā)光強度在50mA驅(qū)動電流下達1250mcd.HB-LED,作為信號燈和其他輔助照明光源應用時議案不能是將多個5mm封裝的各種單色和白光LED組裝在一個燈盤貨標準燈座上，使用壽命可達到10萬小時。2000年已有研究指出，5mm白光LED工作6000h后，其發(fā)光強度已降至原來的一半，事實上，采用5mm白光LED陣列的發(fā)光裝置，其壽命可能只有5000h。不同顏色的LED的光衰減不同，紅色最慢，藍、綠色居中，白色最快。由于5mm封裝的LED原來僅用于指示燈，其封裝熱阻高達300/W，不能滿足充分的散熱目的，指示L

8、ED芯片的溫度升高，造成器件光衰減加快。此外，環(huán)氧樹脂變黃也將是輸出光通量降低。全新的LED功率型封裝設(shè)計理念主要歸為兩類：一類是單芯片功率型封裝；另一類是多芯片功率封裝。功率型LED的單芯片封裝：1998年美國lumileds公司研制出Luxeon系列大功率LED單芯片封裝結(jié)構(gòu)，這種功率型單芯片LED封裝與常規(guī)的5mm LED封裝結(jié)構(gòu)完全不同，它是將正面出光的LED芯片直接焊接在熱襯上，或?qū)⒈趁娉龉獾腖ED芯片先倒裝在具有焊料凸點的硅載體上，然后再將其焊接在熱襯上，使大面積芯片在大電流下工作的熱特性得到改善。這種封裝對于取光效率、散熱性能和電流密度的設(shè)計都是最佳的。主要特點有： 熱阻低。常規(guī)

9、5mm型LED較小的芯片尺寸和傳統(tǒng)環(huán)氧封裝具有很高的熱阻，而這種新型封裝結(jié)構(gòu)的熱阻一般僅為14/W，可比常規(guī)LED減小約20倍。 可靠性高。內(nèi)部填充穩(wěn)定的柔性膠凝體，在40-120的范圍內(nèi)，不會因溫度驟變產(chǎn)生的內(nèi)應力使金屬絲和框架引線斷開。用這種硅橡膠作為光耦合的密封材料，不會出現(xiàn)普通光學環(huán)氧樹脂那樣的變黃現(xiàn)象；金屬引線匡計也不會因氧化二沾污。 反射杯和透鏡的最佳設(shè)計使輻射可控和光學效率最高，在應用中可將它們組裝在一個帶有鋁夾層的電路板（鋁芯PC板）上，電路板作為電器電極連接布線用，鋁芯夾層則可作為功率型LED的熱襯，這樣不僅可獲得較高的光通量，而且還具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。點心盤瓦級功率LE

10、D最早是由Lumileds公司于1998年推出的Luxeon LED，該封裝結(jié)構(gòu)的特點是采用熱點分離的形式，將倒裝芯片用硅載體直接焊接在熱襯上，并采用反射杯、光學透鏡和柔性透明膠等新結(jié)構(gòu)和新材料，現(xiàn)可提供單芯片1W、3W和5W的大功率LED產(chǎn)品。OSRAM公司于2003年推出單芯片的“Golden Dragon”系列LED，其結(jié)構(gòu)特點是熱襯與金屬線路板直接接觸，具有很好的散熱性能，而輸入功率可達1W。功率型LED的多芯片組合封裝：Norlux系列LED封裝結(jié)構(gòu)的六角形鋁襯底的直徑為1.25英寸，發(fā)光區(qū)位于其中央部位，直徑約為0.375英寸，可容納40個LED芯片。用鋁板作為熱襯，并使芯片的鍵合

11、引線通過在襯底上做成的兩個接觸點與正極和負極連接。根據(jù)所需要、輸出光功率的大小來確定襯底上排列管芯的數(shù)碼，組合封裝的超高亮度芯片包括AIGaInN和AIGaLnP，它們的發(fā)射光可為單色、彩色（RGB）、白色（RGB三基色合成或藍色、黃色二元合成）。最后采用高折射率的材料按照光學設(shè)計形狀進行封裝，不僅取光效率高，而且還能夠使芯片和鍵合引線得到保護。由40個AIGaLnP（AS）芯片組合封裝的LED流明效率為20lm/W。采用RGB三基色合成白光的組合封裝模塊當混色比為0.43R：0.48G：0.009B時，光通量典型值為100lm，CCT標準色溫為4420K，色坐標x為0.3612，y為0.35

12、29。由此可見，這種采用常規(guī)芯片進行高密度組合封裝的功率型LED可以達到較高的亮度水平，具有低熱阻，較高的光輸出功率，可在大電流下工作。多芯片組合封裝的大功率LED，其結(jié)構(gòu)和封裝形式很多。Lanina Ceramics公司于2003年推出了采用公司獨有的金屬基板低溫燒結(jié)陶瓷（LTCC-M）技術(shù)封裝的大功率LED陣列。松下公司于2003年推出由64只芯片組合封裝的大功率白光LED。日亞公司于2003年推出超高亮度白光LED，其光通量可達600lm，輸出光束為1000lm時，耗電量為30W，最大輸入功率為50W，白光LED模塊發(fā)光效率達33lm/W。我國臺灣UEC公司（國聯(lián)）采用金屬鍵合（Meta

13、l Bonding）技術(shù)封裝的MB系列大功率LED的特點是：用Si代替GaAs襯底，散熱好，并以金屬黏結(jié)層作光反射層，提高了輸出光通量。功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發(fā)光效率、發(fā)光波長、使用壽命等，因此，對功率型LED芯片的封裝設(shè)計、制造技術(shù)更顯得尤為重要。大功率LED封裝中主要需考慮的問題如下。散熱：散熱對于功率型LED器件是至關(guān)重要的。如果不能將電流產(chǎn)生的熱量及時地散出，保持PN結(jié)的結(jié)溫度在允許的范圍內(nèi)，將無法獲得穩(wěn)定的輸出光通量和維持正常的器件壽命。常用的散熱材料中銀的導熱率最好，但是銀導散熱板的成本較高，不適宜做通用性散熱器。而銅的導熱率比較接近銀，且其成本較低。鋁的

14、導熱率雖然低于銅，但其綜合成本最低，有利于大規(guī)模制造。經(jīng)過實驗對比發(fā)現(xiàn)較為合適的做法是，連接芯片內(nèi)部采用銅基或銀基熱襯，再將該熱襯連接在鋁基散熱器上，采用階梯型導熱結(jié)構(gòu)，利用銅或銀的高導熱率將芯片產(chǎn)生的熱量高效傳遞到鋁基散熱器，在通過鋁基散熱器將熱量散出（通過風冷或熱傳導方式散出）。這種做法的有點是，充分考慮散熱器性能比，將不同特點的散熱器結(jié)合在一起，做到高效散熱并使成本控制合理化。應注意的是，連接銅基熱襯與芯片之間的材料選擇是十分重要的，LED行業(yè)常用的芯片連接材料為銀膠。但是，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，銀膠的導熱率為10-24W/(mk),如果采用銀膠作為連接材料，就等于人為地在芯片與熱襯之間加上了一

15、道熱阻。另外，銀膠固化后的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)為：環(huán)氧樹脂骨架+銀粉填充式導熱導電結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)熱阻極高且TG點較低，對器件的散熱與物理特性穩(wěn)定極為不利。解決此問題的做法是，以錫片作為晶粒與熱襯之間的連接材料（錫的導熱率為67W/（mk），可以獲得較為理想的導熱效果（熱阻約為16/W）。錫的導熱效果與物理特性遠優(yōu)于銀膠。出光：傳統(tǒng)的LED器件封裝方式只能利用芯片發(fā)出的約50%的光能，由于半導體與封閉環(huán)氧的折射率相差較大，致使內(nèi)部的全反射臨界角很小，有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大部分在芯片內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收，這是LED芯片取光效率很低的根本原因。如何將內(nèi)部不同材料間折射、反射消耗的50%光能加

16、以利用，是設(shè)計出光系統(tǒng)的關(guān)鍵。利用芯片的倒裝技術(shù)（FLIP-CHIP）可以比傳統(tǒng)的LED芯片封裝技術(shù)得到更多的有效出光。但是，如果不在芯片的發(fā)光層與電極下方增加反射層來反射出浪費的光能則會造成約8%的光損失，所以底板材料上必須增加反射層。芯片側(cè)面的光也必須利用熱襯的鏡面加工法萊反射出，增加器件的出光率。此外，在倒裝芯片的藍寶石襯底部分與環(huán)氧樹脂導光結(jié)合面上應加上一層硅膠材料以改善芯片出光的折射率。經(jīng)過上述光學封裝技術(shù)的改善，可以大幅度地提高大功率LED器件的出光率。大功率LED器件的頂部透鏡的光學設(shè)計也是十分重要的。通常的做法是：在進行光學透鏡設(shè)計時應充分考慮最終照明器具的光學設(shè)計要求，盡量配

17、合應用照明器具的光學要求進行設(shè)計。常用的透鏡形狀有：凸透鏡、凹錐透鏡、球鏡、菲涅耳透鏡。組合式透鏡等。透鏡與大功率LED器件的裝配方法理想的情況應采取氣密性封裝，如果受透鏡形狀所限也可采用半氣密性。透鏡材料應選擇高透光的玻璃或亞克力等合成材料。此外，也可以采用傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂模組式封裝，加上二次散熱設(shè)計業(yè)基本可以達到提高出光效率的效果。大功率LED光源二次光學配光設(shè)計：目前LED照明光源的光通量與熒光燈等通用性光源相比，還有一定差距。因此，LED要在照明領(lǐng)域發(fā)展，關(guān)鍵是要將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級。要實現(xiàn)這個目的，首先要提高LED本身的質(zhì)量，要研制高功率LED器件，另外要對LED照明器具進行優(yōu)化設(shè)計，提高LED的使用質(zhì)量。因此，研究大功率LED光源二次光學配光設(shè)計，滿足大面積透光和泛光照明配光需求尤為迫切。通過二次光學設(shè)計技術(shù)，設(shè)計外加的反射杯與多重光學透鏡及非球面出光表面，可以提高器件的取光效率。單芯片LED面光源的尺寸一般為1mm×1mm，為達到一定的光通量要求，通常采用多芯片陣列作為面光源使用，增加LED的排列也就增加了發(fā)光有效面積，同時也會增加光源的光學擴展量。；因此，在選擇LED 光源時，要考慮LED的尺寸、排列、發(fā)光角度等問題，以實現(xiàn)較高的光能利用率。常用的LED面光源集光元件包括CPC（復合拋物面聚光器）、TLP