本文核心内容是介绍大功率LED发光二极管封装技术，目的是分析不同技术的应用。

概要

大功率LED发光二极管封装主要涉及光，热，电，结构和技术。这些因素彼此密切相关。其中，照明是LED发光二极管封装的目的，散热是一项关键任务，激励，结构和工艺设计是手段，性能表现出包装水平的具体体现。在工艺兼容性和成本降低方面，LED发光二极管封装设计应与芯片设计同时进行，即LED芯片设计中应考虑封装结构和工艺。否则，由于封装的需要，芯片结构需要在完成后进行调整，从而延长产品开发周期和工艺成本，有时甚至导致产品不可行。

图1大功率LED发光二极管封装技术

具体而言，大功率LED发光二极管封装的关键技术包括：

1.低热阻包装工艺

对于现有的LED发光二极管发光效率水平，由于大约80％的输入电能转换为热能，而LED芯片的面积较小，LED发光二极管封装中芯片的散热是必须解决的关键任务。低热阻封装的工艺主要包括芯片布局，封装材料选择（基板材料，热界面材料）和工艺，散热器设计等。

LED发光二极管封装的热阻主要包括材料（散热基板和散热器结构）内部热阻和界面热阻。散热基板的功能是吸收芯片产生的热量并将其传递到散热器，实现与外界的热交换。常见的散热基板材料包括硅、金属（如铝、铜）、陶瓷（如AlN和SiC）和复合材料等。

例如，在第三代LED发光二极管中，Nichia公司使用CuW作为基板并将其上的1mm芯片倒置，这降低了封装的热阻，并提高了发光功率和效率；如图2（a）所示，Lamina Ceramics公司开发了低温共烧陶瓷金属基板和相应的LED发光二极管封装技术。该技术首先制备适用于共晶焊接的高功率LED芯片和相应的陶瓷基板，然后将LED芯片直接焊接到基板上。由于共晶焊料层，静电保护电路，驱动电路和控制补偿电路集成在基板上，基板为大功率LED阵列封装提供了解决方案，因为它具有结构简单的优点。

由德国Curmilk公司开发的高导热率铜包覆陶瓷板由陶瓷基板（AlN）和导电层（Cu）制成，其在高温和高压下烧结而不使用粘合剂。因此具有良好的导热性，高强度和强绝缘性。如图2（b）所示，AlN的导热系数为160W / mk，热膨胀系数等于硅的热膨胀系数，从而降低了封装的热应力。

图2大功率LED封装的五大关键技术

结果表明，封装界面对热阻的影响很大，如果界面处理不当，则难以散热。例如，当界面在室温下良好接触时，界面间隙可能存在于高温下，并且基板的翘曲也可能影响粘合和局部散热。减少接口和接口热接触，增强散热是改善LED封装的关键。因此，芯片和散热基板之间的热界面材料（TIM）的选择非常重要。导电粘合剂和导热粘合剂是LED发光二极管封装中常见的TIM。0.5-2.5 W / mK的低导热率导致高界面热阻。然而，

2.高发光率的发光二极管封装结构和工艺

应用LED发光二极管时，辐射复合产生的光子在外向发射中的损失主要包括三个方面：芯片内部结构缺陷和材料利用率低；由于折射率差异导致出射界面处光子的反射损失；并且入射角引起的全反射损失大于全反射的临界角。

结果，很多光都无法从芯片中发出。由于粘合剂层包裹芯片，因此通过在芯片表面上涂覆具有相对高折射率的透明粘合剂层（浇注密封剂），可以有效地减少界面处光子的损失，从而提高提取效率。此外，浇注密封剂起到机械保护芯片，释放应力和作为光电导结构的作用。

因此，要求粘合剂层具有高透光率，高折射率，良好的热稳定性，良好的流动性，并且易于喷涂。为了提高LED发光二极管封装的可靠性，浇注密封剂还需要具有低吸湿性，低应力和耐老化性。

常用的密封剂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，应力低，吸湿性低等优点，优于环氧树脂。它广泛用于大功率LED发光二极管封装，但成本高。此外，表明增加硅胶的折射率可以有效地减少由折射率引起的光子损失并提高外部量子效率。然而，硅胶的性质受环境温度的影响很大。随着温度的升高，硅胶内部的热应力增加，导致折射率降低，影响LED发光二极管的发光效率和光强分布。

荧光粉的功能在于光与色的结合，形成白光。其特性包括粒径，形状，发光效率，转换效率，热稳定性和化学稳定性等。发光效率和转换效率是关键。结果表明，随着温度的升高，荧光粉的量子效率降低，发射减少，辐射波长发生变化，导致白光LED发光二极管的色温和色度发生变化，从而加速荧光粉的老化。原因是荧光粉涂层是由荧光粉与环氧树脂或硅胶混合而成，散热性差。当暴露于紫外线或紫外线辐射时，容易发生温度淬火和老化，

此外，灌封和荧光粉的热稳定性问题在高温下存在。普通荧光粉的尺寸大于1um，折射率不小于1.85。与硅胶的折射率不匹配约为1.5，荧光粉颗粒的尺寸远大于光散射极限（30nm），因此荧光粉在其表面上具有光散射，这降低了输出效率。通过在硅胶中加入纳米荧光粉，可以将折射率提高到1.8以上，可以减少光散射，提高LED发光二极管的光效率（10-20％），光线和色彩的质量可以得到改善。

传统的荧光粉涂布方法是将荧光粉与涂胶混合，然后将其涂在芯片上。由于荧光粉的涂层厚度和形状不能精确控制，荧光粉的发光颜色不一致，可能有蓝光或黄光。由Lumileds公司开发的保形涂层技术可以实现荧光粉的均匀涂层，并确保光和颜色的均匀性，如图3（b）所示。然而，当荧光粉直接涂覆在芯片表面上时，由于光散射的存在，光效率低。鉴于此，美国伦斯勒研究所提出了一种散射光子提取方法（SPE）。

图3大功率LED封装的五大关键技术

通常，为了提高LED发光二极管的发光效率和可靠性，封装的粘合剂逐渐被高折射率透明玻璃或玻璃陶瓷代替。掺杂磷光体或将其涂覆在玻璃表面上不仅可以改善磷光体的均匀性，还可以提高封装效率。此外，减少LED发光二极管的光学接口数量也是提高光效率的有效措施。

3.阵列封装和系统集成技术

经过40多年的发展，LED发光二极管封装技术和结构经历了四个阶段，如图4所示。

图4LED发光二极管包装技术和结构的发展

①灯泡LED发光二极管封装

灯具LED发光二极管封装是3-5mm的常见封装结构。它通常用于LED发光二极管封装，具有低电流（20-30mA）和低功率（低于0.1W）。主要用于仪表显示或指示，大规模集成也可用作显示屏。它具有热阻大（通常高于100K / W）和寿命短的缺点。

②SMT-LED发光二极管封装

表面贴装技术（SMT）是一种封装技术，可以将封装器件直接焊接到PCB表面的指定位置。具体来说，使用特定的工具或设备将芯片引脚指向预涂有粘合剂和焊膏的焊盘，然后将其直接连接到未焊接的PCB表面，波峰焊或回流焊后，可靠的机械和建立设备和电路之间的电连接。SMT技术是电子工业中最受欢迎的封装技术，具有可靠性高，频率特性高，易于自动化等优点。

③COB-LED发光二极管封装

板上芯片（COB）是一种封装技术，通过胶水或焊料将LED芯片直接连接到PCB，芯片和PCB之间的电气互连通过引线键合实现。PCB不仅可以是低成本的FR-4材料（玻璃纤维增强环氧树脂），而且可以是具有高导热性的金属基体或陶瓷基复合材料（如铝基板或铜包陶瓷基板等）。引线键合可以在高温下采用热超声波焊接（金线焊球），在室温下采用超声波焊接。COB技术主要用于大功率多芯片阵列的LED封装。与SMT相比，COB技术不仅可以大大提高封装的功率密度，还可以降低封装的热阻（一般为6-12W / mK）。

④SiP-LED发光二极管封装

基于片上系统（SOC），系统级封装（SiP）是一种新的封装和集成方法，以满足便携式开发和整个系统小型化的要求。对于SiP-LED发光二极管，不仅要在单个封装中组装多个LED芯片，还要将各种类型的器件（如电源，控制电路，光学微结构，传感器等）集成到更复杂和完整的系统中。与其他封装结构相比，SiP具有更好的工艺兼容性（SiP可以使用现有的封装材料和工艺）。包括易于块测试，SiP具有集成度高，成本低，功能新，开发周期短等优点。根据技术类型，SiP可分为四种类型：芯片堆叠，模块，MCM和三维（3D）封装。

目前，为了替代白炽灯和高压汞灯，高亮度LED发光二极管器件必须提高总光通量或可用光通量。可以通过增加集成度，增加电流密度或使用大尺寸芯片来实现光通量的增加。但所有这些都会增加LED发光二极管的功率密度，例如散热不良，这会增加LED芯片的结温，从而直接影响LED发光二极管器件的性能（如发光效率下降，出射光红移，降低寿命等）。

多芯片阵列封装是目前获得高光通量最可行的方法之一，但LED发光二极管阵列封装的密度受价格，可用空间，电气连接，特别是散热等因素的限制。由于发光芯片的高密度集成，散热基板上的温度非常高，因此必须采用有效的散热结构和合适的封装技术。常用的散热器结构分为被动和主动散热。被动散热通常使用具有高肋系数的翅片，并通过翅片和空气之间的自然对流将热量散发到环境中。该方案结构简单，可靠性高，但由于自然对流的传热系数低，它仅适用于低功率密度和低集成度的封装。对于大功率LED发光二极管封装，必须主动散热，如散热片+风扇，热管，液体强制对流，微通道冷却，相变冷却等。

4.包装批量生产技术

晶圆键合技术是指在晶圆上制作芯片结构和封装电路，然后切割晶圆以形成单个芯片。芯片结构和电路在晶片上完成，切割晶片以形成芯片，然后封装单个芯片（类似于当前的LED发光二极管封装工艺），如图5所示，进行芯片键合

显然，晶圆键合效率更高，质量更高。由于封装成本占LED发光二极管器件制造成本的很大一部分，因此改变现有的LED发光二极管封装形式（从芯片键合到晶圆键合）将大大降低封装和制造成本。此外，晶圆键合还可以防止在键合之前由划线和切片引起的器件结构的损坏，提高LED发光二极管器件生产的清洁度，封装产量和可靠性。因此，晶圆键合是降低封装成本的有效手段。

图5大功率LED发光二极管封装的五大关键技术

此外，对于高功率LED发光二极管封装，在芯片设计和封装设计过程中必须尽可能采用少量封装步骤。它可以简化封装结构，减少热界面和光学界面的数量，从而降低封装的热阻，提高光生产效率。

5.封装可靠性的测试和评估

LED发光二极管器件的失效模式主要包括电气故障（如短路或开路），光学故障（如密封胶高温泛黄，光学性能下降等）和机械故障（如导线断裂，脱焊，所有这些因素都与包装结构和工艺有关。LED发光二极管的使用寿命由平均故障时间（MTTF）定义，它通常是指LED发光二极管输出通量衰减到服务时间的初始70％（显示目的一般定义为初始值的50％） 。由于LED的寿命长，加速环境测试的方法通常用于测试和估计可靠性。测试内容主要包括高温存储（100℃，1000h），低温存储（-55℃，1000h），高温高湿（85℃/ 85~1000h），高低温循环（85℃〜-55℃），热冲击，耐腐蚀，耐溶解性，机械冲击等。然而，加速环境试验只是问题的一个方面，对LED寿命的预测机制和方法的研究仍然是一个难以研究的问题。
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