本文核心內容是介紹大功率LED發光二極管封裝技術，目的是分析不同技術的應用。

概要

大功率LED發光二極管封裝主要涉及光，熱，電，結構和技術。這些因素彼此密切相關。其中，照明是LED發光二極管封裝的目的，散熱是一項關鍵任務，激勵，結構和工藝設計是手段，性能表現出包裝水平的具體體現。在工藝兼容性和成本降低方面，LED發光二極管封裝設計應與芯片設計同時進行，即LED芯片設計中應考慮封裝結構和工藝。否則，由于封裝的需要，芯片結構需要在完成后進行調整，從而延長產品開發周期和工藝成本，有時甚至導致產品不可行。

圖1大功率LED發光二極管封裝技術

具體而言，大功率LED發光二極管封裝的關鍵技術包括：

1.低熱阻包裝工藝

對于現有的LED發光二極管發光效率水平，由于大約80％的輸入電能轉換為熱能，而LED芯片的面積較小，LED發光二極管封裝中芯片的散熱是必須解決的關鍵任務。低熱阻封裝的工藝主要包括芯片布局，封裝材料選擇（基板材料，熱界面材料）和工藝，散熱器設計等。

LED發光二極管封裝的熱阻主要包括材料（散熱基板和散熱器結構）內部熱阻和界面熱阻。散熱基板的功能是吸收芯片產生的熱量并將其傳遞到散熱器，實現與外界的熱交換。常見的散熱基板材料包括硅、金屬（如鋁、銅）、陶瓷（如AlN和SiC）和復合材料等。

例如，在第三代LED發光二極管中，Nichia公司使用CuW作為基板并將其上的1mm芯片倒置，這降低了封裝的熱阻，并提高了發光功率和效率；如圖2（a）所示，Lamina Ceramics公司開發了低溫共燒陶瓷金屬基板和相應的LED發光二極管封裝技術。該技術首先制備適用于共晶焊接的高功率LED芯片和相應的陶瓷基板，然后將LED芯片直接焊接到基板上。由于共晶焊料層，靜電保護電路，驅動電路和控制補償電路集成在基板上，基板為大功率LED陣列封裝提供了解決方案，因為它具有結構簡單的優點。

由德國Curmilk公司開發的高導熱率銅包覆陶瓷板由陶瓷基板（AlN）和導電層（Cu）制成，其在高溫和高壓下燒結而不使用粘合劑。因此具有良好的導熱性，高強度和強絕緣性。如圖2（b）所示，AlN的導熱系數為160W / mk，熱膨脹系數等于硅的熱膨脹系數，從而降低了封裝的熱應力。

圖2大功率LED封裝的五大關鍵技術

結果表明，封裝界面對熱阻的影響很大，如果界面處理不當，則難以散熱。例如，當界面在室溫下良好接觸時，界面間隙可能存在于高溫下，并且基板的翹曲也可能影響粘合和局部散熱。減少接口和接口熱接觸，增強散熱是改善LED封裝的關鍵。因此，芯片和散熱基板之間的熱界面材料（TIM）的選擇非常重要。導電粘合劑和導熱粘合劑是LED發光二極管封裝中常見的TIM。0.5-2.5 W / mK的低導熱率導致高界面熱阻。然而，

2.高發光率的發光二極管封裝結構和工藝

應用LED發光二極管時，輻射復合產生的光子在外向發射中的損失主要包括三個方面：芯片內部結構缺陷和材料利用率低；由于折射率差異導致出射界面處光子的反射損失；并且入射角引起的全反射損失大于全反射的臨界角。

結果，很多光都無法從芯片中發出。由于粘合劑層包裹芯片，因此通過在芯片表面上涂覆具有相對高折射率的透明粘合劑層（澆注密封劑），可以有效地減少界面處光子的損失，從而提高提取效率。此外，澆注密封劑起到機械保護芯片，釋放應力和作為光電導結構的作用。

因此，要求粘合劑層具有高透光率，高折射率，良好的熱穩定性，良好的流動性，并且易于噴涂。為了提高LED發光二極管封裝的可靠性，澆注密封劑還需要具有低吸濕性，低應力和耐老化性。

常用的密封劑包括環氧樹脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩定性好，應力低，吸濕性低等優點，優于環氧樹脂。它廣泛用于大功率LED發光二極管封裝，但成本高。此外，表明增加硅膠的折射率可以有效地減少由折射率引起的光子損失并提高外部量子效率。然而，硅膠的性質受環境溫度的影響很大。隨著溫度的升高，硅膠內部的熱應力增加，導致折射率降低，影響LED發光二極管的發光效率和光強分布。

熒光粉的功能在于光與色的結合，形成白光。其特性包括粒徑，形狀，發光效率，轉換效率，熱穩定性和化學穩定性等。發光效率和轉換效率是關鍵。結果表明，隨著溫度的升高，熒光粉的量子效率降低，發射減少，輻射波長發生變化，導致白光LED發光二極管的色溫和色度發生變化，從而加速熒光粉的老化。原因是熒光粉涂層是由熒光粉與環氧樹脂或硅膠混合而成，散熱性差。當暴露于紫外線或紫外線輻射時，容易發生溫度淬火和老化，

此外，灌封和熒光粉的熱穩定性問題在高溫下存在。普通熒光粉的尺寸大于1um，折射率不小于1.85。與硅膠的折射率不匹配約為1.5，熒光粉顆粒的尺寸遠大于光散射極限（30nm），因此熒光粉在其表面上具有光散射，這降低了輸出效率。通過在硅膠中加入納米熒光粉，可以將折射率提高到1.8以上，可以減少光散射，提高LED發光二極管的光效率（10-20％），光線和色彩的質量可以得到改善。

傳統的熒光粉涂布方法是將熒光粉與涂膠混合，然后將其涂在芯片上。由于熒光粉的涂層厚度和形狀不能精確控制，熒光粉的發光顏色不一致，可能有藍光或黃光。由Lumileds公司開發的保形涂層技術可以實現熒光粉的均勻涂層，并確保光和顏色的均勻性，如圖3（b）所示。然而，當熒光粉直接涂覆在芯片表面上時，由于光散射的存在，光效率低。鑒于此，美國倫斯勒研究所提出了一種散射光子提取方法（SPE）。

圖3大功率LED封裝的五大關鍵技術

通常，為了提高LED發光二極管的發光效率和可靠性，封裝的粘合劑逐漸被高折射率透明玻璃或玻璃陶瓷代替。摻雜磷光體或將其涂覆在玻璃表面上不僅可以改善磷光體的均勻性，還可以提高封裝效率。此外，減少LED發光二極管的光學接口數量也是提高光效率的有效措施。

3.陣列封裝和系統集成技術

經過40多年的發展，LED發光二極管封裝技術和結構經歷了四個階段，如圖4所示。

圖4LED發光二極管包裝技術和結構的發展

①燈泡LED發光二極管封裝

燈具LED發光二極管封裝是3-5mm的常見封裝結構。它通常用于LED發光二極管封裝，具有低電流（20-30mA）和低功率（低于0.1W）。主要用于儀表顯示或指示，大規模集成也可用作顯示屏。它具有熱阻大（通常高于100K / W）和壽命短的缺點。

②SMT-LED發光二極管封裝

表面貼裝技術（SMT）是一種封裝技術，可以將封裝器件直接焊接到PCB表面的指定位置。具體來說，使用特定的工具或設備將芯片引腳指向預涂有粘合劑和焊膏的焊盤，然后將其直接連接到未焊接的PCB表面，波峰焊或回流焊后，可靠的機械和建立設備和電路之間的電連接。SMT技術是電子工業中最受歡迎的封裝技術，具有可靠性高，頻率特性高，易于自動化等優點。

③COB-LED發光二極管封裝

板上芯片（COB）是一種封裝技術，通過膠水或焊料將LED芯片直接連接到PCB，芯片和PCB之間的電氣互連通過引線鍵合實現。PCB不僅可以是低成本的FR-4材料（玻璃纖維增強環氧樹脂），而且可以是具有高導熱性的金屬基體或陶瓷基復合材料（如鋁基板或銅包陶瓷基板等）。引線鍵合可以在高溫下采用熱超聲波焊接（金線焊球），在室溫下采用超聲波焊接。COB技術主要用于大功率多芯片陣列的LED封裝。與SMT相比，COB技術不僅可以大大提高封裝的功率密度，還可以降低封裝的熱阻（一般為6-12W / mK）。

④SiP-LED發光二極管封裝

基于片上系統（SOC），系統級封裝（SiP）是一種新的封裝和集成方法，以滿足便攜式開發和整個系統小型化的要求。對于SiP-LED發光二極管，不僅要在單個封裝中組裝多個LED芯片，還要將各種類型的器件（如電源，控制電路，光學微結構，傳感器等）集成到更復雜和完整的系統中。與其他封裝結構相比，SiP具有更好的工藝兼容性（SiP可以使用現有的封裝材料和工藝）。包括易于塊測試，SiP具有集成度高，成本低，功能新，開發周期短等優點。根據技術類型，SiP可分為四種類型：芯片堆疊，模塊，MCM和三維（3D）封裝。

目前，為了替代白熾燈和高壓汞燈，高亮度LED發光二極管器件必須提高總光通量或可用光通量。可以通過增加集成度，增加電流密度或使用大尺寸芯片來實現光通量的增加。但所有這些都會增加LED發光二極管的功率密度，例如散熱不良，這會增加LED芯片的結溫，從而直接影響LED發光二極管器件的性能（如發光效率下降，出射光紅移，降低壽命等）。

多芯片陣列封裝是目前獲得高光通量最可行的方法之一，但LED發光二極管陣列封裝的密度受價格，可用空間，電氣連接，特別是散熱等因素的限制。由于發光芯片的高密度集成，散熱基板上的溫度非常高，因此必須采用有效的散熱結構和合適的封裝技術。常用的散熱器結構分為被動和主動散熱。被動散熱通常使用具有高肋系數的翅片，并通過翅片和空氣之間的自然對流將熱量散發到環境中。該方案結構簡單，可靠性高，但由于自然對流的傳熱系數低，它僅適用于低功率密度和低集成度的封裝。對于大功率LED發光二極管封裝，必須主動散熱，如散熱片+風扇，熱管，液體強制對流，微通道冷卻，相變冷卻等。

4.包裝批量生產技術

晶圓鍵合技術是指在晶圓上制作芯片結構和封裝電路，然后切割晶圓以形成單個芯片。芯片結構和電路在晶片上完成，切割晶片以形成芯片，然后封裝單個芯片（類似于當前的LED發光二極管封裝工藝），如圖5所示，進行芯片鍵合

顯然，晶圓鍵合效率更高，質量更高。由于封裝成本占LED發光二極管器件制造成本的很大一部分，因此改變現有的LED發光二極管封裝形式（從芯片鍵合到晶圓鍵合）將大大降低封裝和制造成本。此外，晶圓鍵合還可以防止在鍵合之前由劃線和切片引起的器件結構的損壞，提高LED發光二極管器件生產的清潔度，封裝產量和可靠性。因此，晶圓鍵合是降低封裝成本的有效手段。

圖5大功率LED發光二極管封裝的五大關鍵技術

此外，對于高功率LED發光二極管封裝，在芯片設計和封裝設計過程中必須盡可能采用少量封裝步驟。它可以簡化封裝結構，減少熱界面和光學界面的數量，從而降低封裝的熱阻，提高光生產效率。

5.封裝可靠性的測試和評估

LED發光二極管器件的失效模式主要包括電氣故障（如短路或開路），光學故障（如密封膠高溫泛黃，光學性能下降等）和機械故障（如導線斷裂，脫焊，所有這些因素都與包裝結構和工藝有關。LED發光二極管的使用壽命由平均故障時間（MTTF）定義，它通常是指LED發光二極管輸出通量衰減到服務時間的初始70％（顯示目的一般定義為初始值的50％） 。由于LED的壽命長，加速環境測試的方法通常用于測試和估計可靠性。測試內容主要包括高溫存儲（100℃，1000h），低溫存儲（-55℃，1000h），高溫高濕（85℃/ 85~1000h），高低溫循環（85℃?-55℃），熱沖擊，耐腐蝕，耐溶解性，機械沖擊等。然而，加速環境試驗只是問題的一個方面，對LED壽命的預測機制和方法的研究仍然是一個難以研究的問題。
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