本文从光学、热学、电学、可靠性等方面，详细评述了大功率白光LED封装的设计和研究进展，并对大功率LED封装的关键技术进行了评述。提出LED的封装设计应与晶片设计同时进行，并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。在封装过程中，虽然材料（散热基板、萤光粉、灌封胶）选择很重要，但封装结构中应尽可能减少热学和光学介面，从而降低封装热阻，提高出光效率。文中最后对LED灯具的设计和封装要求进行了阐述。
一、前言
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封装的功能主要包括：1.机械保护，以提高可靠性；2.加强散热，以降低晶片结温，提高LED性能；3.光学控制，提高出光效率，优化光束分布；4.供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制等。
LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由晶片结构、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（Lamp LED）、贴片式（SMD LED）、功率型LED（Power LED）等发展阶段。随着晶片功率的增大，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。
二、大功率LED封装关键技术
大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面，如图1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。从工艺相容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与晶片设计同时进行，即晶片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等晶片制造完成后，可能由于封装的需要对晶片结构进行调整，从而延长了产品研发周期和工艺成本，有时甚至不可能。
具体而言，大功率LED封装的关键技术包括：
（一）低热阻封装工艺
对于现有的LED光效水平而言，由于输入电能的80%左右转变成为热量，且LED晶片面积小，因此，晶片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括晶片布置、封装材料选择（基板材料、热介面材料）与工艺、热沉设计等。
图1 大功率白光LED封装技术
图2 低温共烧陶瓷金属基板
LED封装热阻主要包括材料（散热基板和热沉结构）内部热阻和介面热阻。散热基板的作用就是吸引晶片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括矽、金属（如铝，铜）、陶瓷（如Al2O3，AIN，SiC）和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底，将1mm晶片倒装在CuW衬底上，降低了封装热阻，提高了发光功率和效率；Lamina Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，如图2，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晶片和相应的陶瓷基板，然后将LED晶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，热介面少，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（AIN和Al2O3）和导电层（Cu）在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强、如图3所示。其中氮化铝（AIN）的热导率为160W/mk，热膨胀系数为4.0×10-6/℃（与矽的热膨胀系数3.2×10-6/℃相当），从而降低了封装热应力。
图3 覆铜陶瓷基板截面示意图
研究表明，封装介面对热阻影响也很大，如果不能正确处理介面，就难以获得良好的散热效果。例如，室温下接触良好的介面在高温下可能存在介面间隙，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介面和介面接触热阻，增强散热。因此，晶片和散热基板间的热介面材料（TIM）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/mK，致使介面热阻很高。而采用低温和共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热介面材料，可大大降低介面热阻。
（二）高取光率封装结构与工艺
在LED使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：晶片内部结构缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失；以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此，很多光线无法从晶片中出射到外部。通过在晶片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层（灌封胶），由于该胶层处于晶片和空气之间，从而有效减少了光子在介面的损失，提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对晶片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。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矽胶。矽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，提高矽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，但矽胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，矽胶内部的热应力加大，导致矽胶的折射率降低，从而影响LED光效和光强分布。
萤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，萤光粉量子效率降低，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萤光粉的老化。原因在于萤光粉涂层是由环氧或矽胶与萤光粉调配而成，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，高温下灌封胶和萤光粉的热稳定性也存在问题。由于常用萤光粉尺寸在1μm以上，折射率大于或等于1.85，而矽胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配，以及萤光粉颗粒尺寸远大于光散射极限（30nm），因而在萤光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。通过在矽胶中掺入纳米萤光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低光散射，提高LED出光效率（10%-20%），并能有效改善光色质量。
传统的萤光粉涂敷方式是将萤光粉与灌封胶混合，然后点涂在晶片上。由于无法对萤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（Conformal coating）技术可实现萤光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性，如图4b。但研究表明，当萤光粉直接涂覆在晶片表面时，由于光散射的存在，出光效率较低。有鉴于此，美国Rensselaer研究所提出了一种光子散射萃取工艺（Scattered Photon Extraction method, SPE），通过在晶片表面布置一个聚焦透镜，并将含萤光粉的玻璃片置于距晶片一定位置，不仅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60%），如图4（c）。
图4 大功率白光LED封装结构
总体而言，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，通过将萤光粉内掺或外涂于玻璃表面，不仅提高了萤光粉的均匀度，而且提高了封装效率。此外，减少LED出光方向的光学介面数，也是提高出光效率的有效措施。
（三）阵列封装与系统集成技术
经过40多年的发展，LED封装技术和结构先后经历了四个阶段，如图5所示。
图5 LED封装技术和结构发展
1、引脚式（Lamp）LED封装
引脚式封装就是常用的A3-5mm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幕。其缺点在于封装热阻较大（一般高于100K/W），寿命较短。
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