摘要：本文簡要介紹功率型LED封裝技術的國內外發展動態，論述功率型LED關鍵的封裝技術，我們在功率型LED封裝技術研究的進展，并對我國發展功率型LED提些建議。
一、引言
半導體發光二極管簡稱LED，從上世紀六十年代研制出來并逐步走向市場化，其封裝技術也是不斷改進和發展。LED由最早用玻璃管封裝發展至支架式環氧封裝和表面貼裝式封裝， 使得小功率LED獲得廣泛的應用。從上世紀九十年代開始，由于LED外延、芯片技術上的突破，使超高亮四元系AlGaInP和GaN基的LED既能發射可見光波長的光，可組合各種顏色和白光，又在器件輸入功率上有很大提高。目前單芯片1W大功率LED已產業化，3W--5W 甚至10W的單芯片大功率LED也已推出，并部分走向市場。這使得超高亮度LED的應用面不斷擴大，首先進入特種照明的市場領域，并向普通照明市場邁進。由于LED芯片輸入功率的不斷提高，對這些功率型LED的封裝技術提出了更高的要求。功率型LED封裝技術主要應滿足以下二點要求：一是封裝結構要有高的取光效率；其二是熱阻要盡可能低。這樣才能保證功率LED的光電性能和可靠性。所以本文將重點對功率型LED的封裝技術作介紹和論述。
二、功率型LED封裝技術現狀
由于功率型LED的應用面非常廣，不同應用場合下對功率LED的要求不一樣。一般功率型LED分為功率LED和W級功率LED二種。當輸入功率小于1W的LED（幾十mW功率LED除外）叫做功率LED；當輸入功率等于或大于1W的LED叫做W級功率LED。而W級功率LED常見的有二種結構形式：一種是單芯片W級功率LED，另一種是多芯片組合的W級功率LED。
1.
國外功率型LED封裝技術：按功率LED和W級功率LED分別描述
(1 ) 功率 LED
根據報導，最早是由HP公司于1993年推出“食人魚”封裝結構的LED稱“Super flux LED”，并于1994年推出改進型的“Snap LED”，其外形如圖1所示。 有二種典型的工作電流，分別為70mA和150mA，150mA輸入功率可達0.3W。接著Osram公司推出 “Power TOP LED”是采用金屬框架的PLCC封裝結構，其外形圖如圖2所示。之后一些公司推出多種功率LED的封裝結構，其中一種PLCC-4結構封裝形式，其功率約200~300mW。 這些結構的熱阻一般為 75~125 /W。總之，這些結構的功率LED比原支架式封裝的LED輸入功率提高幾倍，熱阻下降幾倍。
（2）W 級功率LED
W級功率LED是未來照明的核心部分，所以世界各大公司投入很大力量對W級功率封裝技術進行研究開發，并均已將所得的新結構、新技術等申請各種專利。
單芯片W級功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的Luxeon LED，其結構如圖3所示。根據報導，該封裝結構的特點是采用熱電分離的形式將倒裝芯片用硅載體直接焊接在熱沉上，并采用反射杯光學透鏡和柔性透明膠等新結構和新材料，具有較高的取光效率，并在較大的電流密度下可達到很低的熱阻，一般為14~17 /W。現可提供單芯片1W 、3W 和5W 的大功率LED。該公司近期還報導推出Luxeon III LED產品，由于對封裝和芯片進行改善，可在更高的驅動電流下工作，在700mA電流工作50000小時后仍能保持70%的流明，在1A電流工作20000小時能保持50%的流明。
Osram 公司于2003 年推出單芯片的Golden Dragon 系列LED，如圖4 所示，其結構特點是熱沉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。
我國臺灣UEC公司（國聯）采用金屬鍵合Metal Bonding技術封裝的MB系列大功率LED，其特點是用Si 代替GaAs襯底，散熱好，并以金屬黏結層作光反射層提高光輸出。現有LED單芯片，面積分別為0.3×0.3mm2、1×1mm2 和2.5×2.5mm2的芯片，其輸入功率分別有0.3W、1W 和10W。 其中2.5×2.5mm2芯片光通量可達200lm， 0.3W 和1W 產品正推向市場。
德國Baoberlin 公司近期開發一種高功率LED，其芯片面積為2.8×3.2mm2，電流可達600mA。目前主要提供0.25×0.25mm2 及1×1 mm2 規格產品，其功耗為1.5W ，主要用于機場照明系統、室內外照明、汽車指示燈及建筑物顯示器等。
多芯片組合封裝的大功率LED其結構和封裝形式較多，這里介紹幾種典型的結構封裝形式： 1.美國UOE公司于2001年推出多芯片組合封裝的Norlux 系列LED，其結構是采用六角形鋁板作為襯底，如圖5所示。鋁層導熱好，中央發光區部分可裝配40只芯片，封裝可為單色或多色組合，也可根據實際需求布置芯片數和金線焊接方式。該封裝的大功率LED其光通量效率為20lm/W，發光通量為100lm。
2.Lanina Ceramics 公司于2003年推出采用公司獨有的金屬基板上低溫燒結陶瓷 LTCC-M 技術封裝的大功率LED陣列。有二種產品：一種為7元LED陣列，光通量為840lm， 功率為21W；另一種是134元LED陣列，光通量為5360lm，功率134W。由于LTCC-M技術是將LED芯片直接連接到密封陣列配置的封裝盒上，因此工作溫度可達250C°。
3.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，光通量可達120lm，采用散熱性能優良的襯底，把這些芯片封裝在2cm的面積中，其驅動電流可達8W。這種封裝中每1W輸入功率其溫升僅為 1.2 C°。
4.日亞公司于2003年推出號稱是全世界最亮的白光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。提供展覽的白光LED模塊發光效率達33lm/W，如圖六所示。
5.LED Tronics 公司發布一種新型的G25-style Décor LED型燈泡是組合功率LED。其基座為Edison螺旋型，可直接替代白熾燈。其功耗為1.0~1.7W，使用壽命長達11年，現可提供產品的發光顏色包括紅橙黃綠藍和白，用戶可自定制選項；霧化彩色燈泡和多色燈泡主要用于裝飾性照明。
有關多芯片組合的大功率LED 許多公司根據實際市場需求，不斷開發很多新結構封裝的新產品，其開發研制的速度是非常快。 2 國內功率型LED 封裝技術
國內LED 普通產品的后工序封裝能力應該是很強的，封裝產品的品種較齊全。據初步估計全國LED封裝廠超過200家，封裝能力超過200 億只/年。封裝的配套能力也是很強的，但是很多封裝廠為私營企業，目前來看規模偏小。
國內功率型LED的封裝早在上世紀九十年代就開始，一些有實力的后封裝企業當時就開始開發并批量生產如食人魚、功率型LED。國內的大學研究所很少對大功率LED封裝技術開展研究，信息產業部第13研究所對功率型LED封裝技術開展研究工作并取得很好的研究成果，具體開發出功率LED產品。國內有實力的LED封裝企業（外商投資除外），如佛山國星、
廈門華聯等幾個企業，很早就開展功率型LED的研發工作并取得較好的效果，如食人魚和PLCC 封裝結構的產品均可批量生產，并已研制出單芯片1W級的大功率LED封裝的樣品，而且還進行多芯片或多器件組合的大功率LED研制開發，并可提供部分樣品供試用。
對大功率LED 封裝技術的研究開發，目前國家尚未正式支持投入國內研究單位，很少介入封裝企業，投入研發的力度、人力和財力還很不夠，形成國內對封裝技術的開發力量薄弱的局面，其封裝的技術水平與國外相比還有相當的差距。
三 功率型LED 產業化關鍵的封裝技術
半導體LED要作為照明光源，常規產品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比距離甚遠，因此LED要在照明領域發展關鍵要將其發光效率光通量提高至現有照明光源的等級。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生長技術和多量子阱結構，雖然其外量子效率還需進一步提高，但獲得高發光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率低。現有的功率型LED的設計采用了倒裝焊新結構來提高芯片的取光效率，改善芯片的熱特性，并通過增大芯片面積加大工作電流來提高器件的光功率，從而獲得較高的發光通量。除了芯片外器件的封裝技術也舉足輕重，關鍵的封裝技術工藝有： 1 散熱技術
傳統的指示燈型LED封裝結構一般是用導電或非導電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺上，由金絲完成器件的內外連接后用環氧樹脂封裝而成，其熱阻高達250~300 /W。新的功率型芯片若采用傳統式的LED 封裝形式將會因為散熱不良而導致芯片結溫迅速上升和環氧碳化變黃從而造成器件的加速光衰，直至失效，甚至因為迅速的熱膨脹所產生的應力造成開路而失效，因此對于大工作電流的功率型LED芯片，低熱阻、散熱良好及低應力的新的封裝結構是功率型LED器件的技術關鍵。采用低電阻率、高導熱性能的材料粘結芯片；在芯片下部加銅或鋁質熱沉，并采用半包封結構加速散熱，甚至設計二次散熱裝置來降低器件的熱阻；在器件的內部填充透明度高的柔性硅橡膠，在硅橡膠承受的溫度范圍內（一般為-40 ~200 ）,膠體不會因溫度驟然變化而導致器件開路，也不會出現變黃現象。零件材料也應充分考慮其導熱、散熱特性，以獲得良好的整體熱特性。 2 二次光學設計技術
為提高器件的取光效率設計外加的反射杯與多重光學透鏡。 3 功率型LED 白光技術
常見的實現白光的工藝方法有如下三種：
1）藍色芯片上涂上YAG熒光粉，芯片的藍色光激發熒光粉，發出典型值為500nm~560nm 的黃綠光，黃綠光與藍色光合成白光。該方法制備相對簡單，效率高，具有實用性。缺點是布膠量一致性較差，熒光粉易沉淀導致出光面均勻性差、色調一致性不好、色溫偏高、顯色性不夠理想。 2）RGB三基色，多個芯片或多個器件發光混色成白光，或者用藍+黃綠色雙芯片補色產生白光。只要散熱得法，該方法產生的白光較前一種方法穩定，但驅動較復雜，另外還要考慮不同顏色芯片的不同光衰速度。
3）在紫外光芯片上涂RGB熒光粉，利用紫光激發熒光粉產生三基色光，混色形成白光。但目前的紫外光芯片和RGB 熒光粉效率較低，環氧樹脂在紫外光照射下易分解老化。
我司目前已采用方法1和2進行白光LED產品的批量生產，并已進行了W 級功率LED 的樣品試制，積累了一定的經驗和體會。我們認為照明用W級功率LED產品要實現產業化還必須解決如下技術問題：
1）粉涂布量控制：LED芯片+熒光粉工藝采用的涂膠方法通常是將熒光粉與膠混合后用分配器將其涂到芯片上。在操作過程中由于載體膠的粘度是動態參數，熒光粉比重大于載體膠而產生沉淀以及分配器精度等因素的影響，此工藝熒光粉的涂布量均勻性的控制，有難度導致了白光顏色的不均勻。
2）芯片光電參數配合：半導體工藝的特點決定同種材料、同一晶圓芯片之間都可能存在光學參數，如波長、光強和電學，如正向電壓參數差異，RGB三基色芯片更是這樣對于白光色度參數影響很大，這是產業化必須要解決的關鍵技術之一。
3）根據應用要求產生的光色度參數控制：不同用途的產品對白光LED的色坐標、色溫、顯色性、光功率或光強和光的空間分布等要求就不同，上述參數的控制涉及產品結構、工藝方法、材料等多方面因素的配合，在產業化生產中對上述因素進行控制，得到符合應用要求一致性好的產品十分重要。
4.測試技術與標準
隨著W級功率芯片制造技術和白光LED工藝技術的發展，LED產品正逐步進入特種照明市場，顯示或指示用的傳統LED產品參數、檢測標準及測試方法已不能滿足照明應用的需要，國內外的半導體設備儀器生產企業也紛紛推出各自的測試儀器，不同的儀器使用的測試原理、條件、標準存在一定的差異，增加了測試應用、產品性能比較工作的難度和問題復雜化。
我國光學光電子行業協會光電子器件分會行業協會根據LED產品發展的需要，于2003年發布了“發光二極管測試方法（試行）”，該測試方法增加了LED色度參數的規定，但LED要往照明業拓展，建立LED照明產品標準是產業規范化的重要手段。 5.篩選技術與可靠性保證
由于燈具外觀的限制，照明用LED的裝配空間密封且受到局限。密封且有限的空間不利于LED散熱，這意味著照明LED的使用環境要劣于傳統顯示指示用LED產品，另外照明LED處于大電流驅動下工作，這就對其提出更高的可靠性要求。在產業化生產中針對不同的產品用途制定適當的熱老化、溫度循環沖擊、負載老化工藝篩選試驗，剔除早期失效品，保證產品的可靠性很有必要。 6 靜電防護技術
藍寶石襯底的藍色芯片其正負電極均位于芯片上面，間距很小，對于InGaN/AlGaN/GaN 雙異質結InGaN活化簿層僅幾十nm，對靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿使器件失效，因此在產業化生產中靜電的防范是否得當直接影響到產品的成品率、可靠性和經濟效益。靜電的防范技術有如下幾種：
A.生產使用場所從人體臺地空間及產品傳輸堆放等實施防范手段有防靜電服裝\手套\手環\鞋\墊\盒\離子風扇\檢測儀器等 B.芯片上設計靜電保護線路 C.LED 上裝配保護器件
廈門華聯電子有限公司長期從事半導體LED及其它光電子器件的研制生產，目前在功率LED方面已具備食人魚、PLCC功率型LED產品的量產能力。目前已有三基色芯片的PLCC功率型LED用于室外裝飾，應用產品出口歐美市場。在多芯片混色白光技術應用方面已有彩色顯示模塊出口。W級功率型LED已經研制出紅、黃、綠、藍、白色，兩種外形樣品IF=350mA 下的平均光效見表1（原分別約為14lm/W、11lm/W、12lm/W 、4lm/W和11.5lm/W），白色LED樣品的色溫約為7000~8000K， Ra平均為84。紅綠藍色樣品經過1000小時功率老化后光衰平均值見表2。
四、結束語
我國LED 封裝產品主要是普通小功率LED，同時還具有一定的功率型LED封裝技術和水品。但由于多種原因我國大功率LED封裝技術水平總體來，說與國際水平還有相當的差距。為了加快發展LED封裝技術水平，我們建議：
1 國家要重點支持LED前工序外延、芯片有實力的重點研究單位大學和企業，集中優勢重點突破前工序的關鍵技術難點，盡快開發并生產有自主產權的1W、3W、5W和10W等大功率LED芯片，只有這樣才能確保我國大功率LED的順利發展；
2 國家要重點扶植幾家有實力的大功率LED封裝企業研發有自主產權的LED 封裝產品，并要達到規模化的生產程度參與國際市場競爭；
3 要重視熒光粉、封裝環氧等基礎材料的研究開發及產業化工作；
4 根據市場要求，開發適應市場的各種功率型LED產品。首先瞄準特種照明應用的市場并逐步向普通照明燈源市場邁進。