大功率LED封裝由于結(jié)構(gòu)和工藝復雜，并直接影響到LED的使用性能和壽命，一直是近年來的研究熱點，特別是大功率白光LED封裝更是研究熱點中的熱點。

LED封裝的功能主要包括：1、機械保護，以提高可靠性;2、加強散熱，以降低晶片結(jié)溫，提高LED性能;3、光學控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布;4、供電管理，包括交流/直流轉(zhuǎn)變，以及電源控制等。

LED封裝方法、材料、結(jié)構(gòu)和工藝的選擇主要由晶片結(jié)構(gòu)、光電/機械特性、具體應用和成本等因素決定。經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED封裝先后經(jīng)歷了支架式(Lamp LED)、貼片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等發(fā)展階段。隨著晶片功率的增大，特別是固態(tài)照明技術發(fā)展的需求，對LED封裝的光學、熱學、電學和機械結(jié)構(gòu)等提出了新的、更高的要求。為了有效地降低封裝熱阻，提高出光效率，必須采用全新的技術思路來進行封裝設計。

大功率LED封裝關鍵技術

大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結(jié)構(gòu)與工藝等方面。這些因素彼此既相互獨立，又相互影響。其中，光是LED封裝的目的，熱是關鍵，電、結(jié)構(gòu)與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。從工藝相容性及降低生產(chǎn)成本而言，LED封裝設計應與晶片設計同時進行，即晶片設計時就應該考慮到封裝結(jié)構(gòu)和工藝。否則，等晶片制造完成后，可能由于封裝的需要對晶片結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，從而延長了產(chǎn)品研發(fā)周期和工藝成本，有時甚至不可能。

低熱阻封裝工藝

對于現(xiàn)有的LED光效水平而言，由于輸入電能的80%左右轉(zhuǎn)變成為熱量，且LED晶片面積小，因此，晶片散熱是LED封裝必須解決的關鍵問題。主要包括晶片布置、封裝材料選擇(基板材料、熱介面材料)與工藝、熱沉設計等。

LED封裝熱阻主要包括材料(散熱基板和熱沉結(jié)構(gòu))內(nèi)部熱阻和介面熱阻。散熱基板的作用就是吸引晶片產(chǎn)生的熱量，并傳導到熱沉上，實現(xiàn)與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括矽、金屬(如鋁，銅)、陶瓷(如Al2O3，AIN，Sic)和復合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做襯底，將 1mm晶片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝熱阻，提高了發(fā)光功率和效率;Lamina Ceramics公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板led封裝照明，并開發(fā)了相應的LED封裝技術。該技術首先制備出適于共晶焊的大功率LED晶片和相應的陶瓷基板，然后將LED晶片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護電路、驅(qū)動電路及控制補償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且由于材料熱導率高，熱介面少，大大提高了散熱性能，為大功率LED陣列封裝提出了解決方案。德國Curmilk公司研制的高導熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板(AIN和 Al2O3)和導電層(Cu)在高溫高壓下燒結(jié)而成，沒有使用黏結(jié)劑，因此導熱性能好、強度高、絕緣性強。其中氮化鋁(AIN)的熱導率為 160W/mk，熱膨脹系數(shù)為4.0×10-6/℃(與矽的熱膨脹系數(shù)3.2×10-6/℃相當)，從而降低了封裝熱應力。

研究表明，封裝介面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理介面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下接觸良好的介面在高溫下可能存在介面間隙，基板的翹曲也可能會影響鍵合和局部的散熱。改善LED封裝的關鍵在于減少介面和介面接觸熱阻，增強散熱。因此，晶片和散熱基板間的熱介面材料(TIM)選擇十分重要。LED封裝常用的TIM為導電膠和導熱膠，由于熱導率較低，一般為0.5-2.5W/mK，致使介面熱阻很高。而采用低溫和共晶焊料、焊膏或者內(nèi)摻納米顆粒的導電膠作為熱介面材料，可大大降低介面熱阻。

高取光率封裝結(jié)構(gòu)與工藝

在LED使用過程中，輻射復合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時產(chǎn)生的損失，主要包括三個方面：晶片內(nèi)部結(jié)構(gòu)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損失;以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線無法從晶片中出射到外部。通過在晶片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于晶片和空氣之間，從而有效減少了光子在介面的損失，提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對晶片進行機械保護，應力釋放，并作為一種光導結(jié)構(gòu)。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩(wěn)定性好，流動性好，易于噴涂。為提高LED封裝的可靠性，還要求灌封膠具有低吸濕性、低應力、耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和矽膠。矽膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定性好，應力小，吸濕性低等特點，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹脂，在大功率LED封裝中得到廣泛應用，但成本較高。研究表明，提高矽膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失，提高外量子效率，但矽膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度升高，矽膠內(nèi)部的熱應力加大，導致矽膠的折射率降低，從而影響LED光效和光強分布。