LED目前主要的封裝技術比較
1）led單芯片封裝
led在過去的30多年里，取得飛速發展。第一批產品出現在1968年，工作電流20mA的led的光通量只有千分之幾流明，相應的發光效率為0.1 lm/W，而且只有一種光色為650 nm的紅色光。70年代初該技術進步很快，發光效率達到1 lm/W，顏色也擴大到紅色、綠色和黃色。伴隨著新材料的發明和光效的提高，單個led光源的功率和光通量也在迅速增加。原先，一般led的驅動電流僅為 20 mA。到了20世紀90年代，一種代號為“食人魚”的led光源的驅動電流增加到50-70mA，而新型大功率led的驅動電流達到300—500 mA。特別是1998年白光led的開發成功，使得led應用從單純的標識顯示功能向照明功能邁出了實質性的一步。圖2-1到圖2-4描述了led的發展歷程。
圖2-1 普通led主要用于指示燈
圖2-2 高亮度led主要用于照明燈
圖2-3 食人魚led
圖2-4 大功率led
A 功率型led封裝技術現狀
功率型led分為功率led和瓦(W)級功率led兩種。功率led的輸入功率小于1W(幾十毫瓦功率led除外)；W級功率led的輸入功率等于或大于1W。
最早有HP公司于20世紀90年代初推出“食人魚”封裝結構的 led，并于1994年推出改進型的“Snap led”，有兩種工作電流，分別為70mA和150mA，輸入功率可達0.3W。接著OSRAM公司推出“Power TOP led”，之后一些公司推出多種功率led的封裝結構。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，熱阻降為過去的幾分之一。
W級功率led是未來照明的核心，世界各大公司投入很大力量，對其封裝技術進行研究開發。單芯片W級功率led最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEON led，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，現可提供單芯片1W、3W和5W的大功率led，Lumileds公司擁有多項功率型白光二極管封裝方面的專利技術。OSRAM于2003年推出單芯片的Golden Dragon”系列led，其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。日亞的1W led工作電流為350 mA，白光、藍光、藍綠光和綠光的光通量分別為23、7、28和20流明，預計其壽命為5萬小時。
B 功率型led封裝技術概述
半導體led若要作為照明光源，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，關鍵是要將其發光效率、光通量提高至現有照明光源的等級。由于led芯片輸入功率的不斷提高，功率型led封裝技術主要應滿足以下兩點要求：①封裝結構要有高的取光效率；②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。
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，雖然其內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電轉換效率，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。
功率型led封裝關鍵技術：
a.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150～250℃/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。
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。可采用低阻率、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膠，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。
普通led和大功率led封裝結構分別見圖2-5，圖2-6。熱阻參考值見表2-1。
2-5 普通led封裝結構圖
圖2-6 大功率led封裝結構圖
表2-1普通led與大功率led的熱阻參考值對比
led功率? ?熱阻參考 (℃/W)
普通led? ?? ?150～250
1W led? ?? ? ＜ 50
3W led? ?? ? ＜ 30
5W led? ?? ? ＜ 18
10W led? ?? ? ＜ 9
b 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。
c.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，藍光激發熒光粉發出的黃綠光與藍光合成白光。該方法相對簡單，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
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。由于目前的紫外光芯片和RGB熒光粉效率較低，仍未達到實用階段。
表2-2 三條主要的白光led制備路線比較
紫外led + RGB熒光粉? ?藍光led + 黃色熒光粉 二元互補色led? ?RGB多芯片組合? ?白光led芯片
顯色性 最好 一般 一般 一般 好
色穩定性 最好 好 一般 一般 好
流明保持率 未有數據 一般 好 好 好
熒光材料 在研 較成熟??-??-??-??-
效率 最好 好 一般 一般 好
應用 白光照明 背光源 特殊照明 顯示
? ? ? ?
背光源
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熒光粉涂敷量和均勻性控制：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。
d.檢測技術與標準
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。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。
e.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，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是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，進行適當的熱老化、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。
f.靜電防護技術
由于GaN是寬禁帶材料，電阻率較高，該類芯片在生產過程中因靜電產生的感生電荷不易消失，累積到相當的程度，可以產生很高的靜電電壓。當超過材料的承受能力時，會發生擊穿現象并放電。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有源層僅幾十納米，對靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。 GaN基led和傳統的led相比，抗靜電能力差是其鮮明的缺點，靜電導致的失效問題已成為影響產品合格率和使用推廣的一個非常棘手的問題。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：①對生產使用場所從人體、臺、地、空間及產品傳輸、堆放等方面實施防范。②芯片上設計靜電保護線路。③led上裝配靜電保護器件。
2）多芯片集成封裝
為避免大尺寸芯片導致發光效率的下降等問題，可采用小尺寸芯片集成的方法來增加單
led在過去的30多年里，取得飛速發展。第一批產品出現在1968年，工作電流20mA的led的光通量只有千分之幾流明，相應的發光效率為0.1 lm/W，而且只有一種光色為650 nm的紅色光。70年代初該技術進步很快，發光效率達到1 lm/W，顏色也擴大到紅色、綠色和黃色。伴隨著新材料的發明和光效的提高，單個led光源的功率和光通量也在迅速增加。原先，一般led的驅動電流僅為 20 mA。到了20世紀90年代，一種代號為“食人魚”的led光源的驅動電流增加到50-70mA，而新型大功率led的驅動電流達到300—500 mA。特別是1998年白光led的開發成功，使得led應用從單純的標識顯示功能向照明功能邁出了實質性的一步。圖2-1到圖2-4描述了led的發展歷程。
圖2-1 普通led主要用于指示燈
圖2-2 高亮度led主要用于照明燈
圖2-3 食人魚led
圖2-4 大功率led
A 功率型led封裝技術現狀
功率型led分為功率led和瓦(W)級功率led兩種。功率led的輸入功率小于1W(幾十毫瓦功率led除外)；W級功率led的輸入功率等于或大于1W。
最早有HP公司于20世紀90年代初推出“食人魚”封裝結構的 led，并于1994年推出改進型的“Snap led”，有兩種工作電流，分別為70mA和150mA，輸入功率可達0.3W。接著OSRAM公司推出“Power TOP led”，之后一些公司推出多種功率led的封裝結構。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，熱阻降為過去的幾分之一。
W級功率led是未來照明的核心，世界各大公司投入很大力量，對其封裝技術進行研究開發。單芯片W級功率led最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEON led，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，現可提供單芯片1W、3W和5W的大功率led，Lumileds公司擁有多項功率型白光二極管封裝方面的專利技術。OSRAM于2003年推出單芯片的Golden Dragon”系列led，其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。日亞的1W led工作電流為350 mA，白光、藍光、藍綠光和綠光的光通量分別為23、7、28和20流明，預計其壽命為5萬小時。
B 功率型led封裝技術概述
半導體led若要作為照明光源，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，關鍵是要將其發光效率、光通量提高至現有照明光源的等級。由于led芯片輸入功率的不斷提高，功率型led封裝技術主要應滿足以下兩點要求：①封裝結構要有高的取光效率；②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。
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，雖然其內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電轉換效率，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。
功率型led封裝關鍵技術：
a.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150～250℃/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。
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。可采用低阻率、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膠，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。
普通led和大功率led封裝結構分別見圖2-5，圖2-6。熱阻參考值見表2-1。
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2-5 普通led封裝結構圖
圖2-6 大功率led封裝結構圖
表2-1普通led與大功率led的熱阻參考值對比
led功率? ?熱阻參考 (℃/W)
普通led? ?? ?150～250
1W led? ?? ? ＜ 50
3W led? ?? ? ＜ 30
5W led? ?? ? ＜ 18
10W led? ?? ? ＜ 9
b 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。
c.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，藍光激發熒光粉發出的黃綠光與藍光合成白光。該方法相對簡單，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
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。由于目前的紫外光芯片和RGB熒光粉效率較低，仍未達到實用階段。
表2-2 三條主要的白光led制備路線比較
紫外led + RGB熒光粉? ?藍光led + 黃色熒光粉 二元互補色led? ?RGB多芯片組合? ?白光led芯片
顯色性 最好 一般 一般 一般 好
色穩定性 最好 好 一般 一般 好
流明保持率 未有數據 一般 好 好 好
熒光材料 在研 較成熟??-??-??-??-
效率 最好 好 一般 一般 好
應用 白光照明 背光源 特殊照明 顯示
? ? ? ?
背光源
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熒光粉涂敷量和均勻性控制：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。
d.檢測技術與標準
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。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。
e.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，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是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，進行適當的熱老化、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。
f.靜電防護技術
由于GaN是寬禁帶材料，電阻率較高，該類芯片在生產過程中因靜電產生的感生電荷不易消失，累積到相當的程度，可以產生很高的靜電電壓。當超過材料的承受能力時，會發生擊穿現象并放電。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有源層僅幾十納米，對靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。 GaN基led和傳統的led相比，抗靜電能力差是其鮮明的缺點，靜電導致的失效問題已成為影響產品合格率和使用推廣的一個非常棘手的問題。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：①對生產使用場所從人體、臺、地、空間及產品傳輸、堆放等方面實施防范。②芯片上設計靜電保護線路。③led上裝配靜電保護器件。
2）多芯片集成封裝
為避免大尺寸芯片導致發光效率的下降等問題，可采用小尺寸芯片集成的方法來增加單