LED封裝的研究現狀及發展趨勢

湯 坤，卓寧澤，施豐華，邢海東，劉光熙，王海波

(1.南京工業大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210009；2.南京工業大學電光源材料研究所，江蘇 南京 210015)

1 引言

近幾年，在全球節能減排的倡導和各國政府相關政策支持下，LED照明得到快速的發展[1]。與傳統光源相比具有壽命長、體積小、節能、高效、響應速度快、抗震、無污染等優點，被認為是可以進入普通照明領域的“綠色照明光源”，LED大規模應用于普通照明是一個必然的趨勢[2～4]。

作為LED產業鏈中承上啟下的LED封裝，在整個產業鏈中起著關鍵的作用[5]。對于封裝而言，其關鍵技術歸根結底在于如何在有限的成本范圍內盡可能多的提取芯片發出的光，同時降低封裝熱阻，提高可靠性[6]。在封裝過程中，封裝材料和封裝方式是主要影響因素。隨著LED高光效化、功率化、高可靠性和低成本的不斷發展，對封裝的要求也越來越高，一方面，LED封裝在兼顧發光角度、光色均勻性等方面時必須滿足具有足夠高的取光效率和光通量；另一方面，封裝必須滿足芯片的散熱要求。因此，芯片、熒光粉、基板、熱界面材料和封裝材料以及相應的封裝方式亟待發展創新，以提高LED的散熱能力和出光效率。

2 封裝材料

在封裝過程中，封裝材料性能的好壞是決定LED長期可靠性的關鍵。高性能封裝材料的合理選擇和使用，能夠有效地提高LED的散熱效果，大大延長LED的使用壽命。封裝材料主要包括芯片、熒光粉、基板、熱界面材料。

2.1 芯片結構

隨著LED器件性能的不斷發展和應用范圍的不斷拓寬，尤其是單顆大功率LED的開發，芯片結構也在不斷地改進。目前LED芯片的封裝結構主要有4種，即：正裝結構[7]、倒裝結構[8]、垂直結構[9]和三維垂直結構[10]，見圖1。

圖1 LED芯片結構Fig.1 The structures of chip

目前普通的LED芯片采用藍寶石襯底的正裝結構，該結構簡單，制作工藝比較成熟。但由于藍寶石導熱性能較差，芯片產生的熱量很難傳遞到熱沉上，在功率化LED應用中受到了限制。

倒裝芯片封裝是目前的發展方向之一，與正裝結構相比，熱量不必經過芯片的藍寶石襯底，而是直接傳到熱導率更高的硅或陶瓷襯底，進而通過金屬底座散發到外界環境中。

垂直結構的藍光芯片是在正裝的基礎上產生的，這種芯片是將傳統藍寶石襯底的芯片倒過來鍵合在導熱能力較好的硅襯底或金屬等襯底上，再將藍寶石襯底激光剝離。這種結構的芯片解決了散熱瓶頸問題，但工藝復雜，特別是襯底轉換這個過程實現難度大，生產合格率也較低。

與垂直結構LED芯片相比，三維垂直結構LED芯片的主要優勢在于無需打金線，使得其封裝的厚度更薄、散熱效果更好，并且更容易引入較大的驅動電流。

2.2 熒光粉

隨著人們對LED光品質的要求越來越高，不同顏色、不同體系的LED用熒光粉逐步被開發出來，高光效、高顯色指數、長壽命熒光粉開發及其涂覆技術的研究成為關鍵。目前主流的白光實現形式是藍光LED芯片結合黃色YAG熒光粉，但為了得到更好的照明效果，氮化物/氮氧化物紅色熒光粉、硅酸鹽橙色和綠色熒光粉也得到了廣泛的應用，見圖2。

圖2 LED用熒光粉Fig.2 LED phosphor

多色熒光粉的摻入對提高光源顯色指數起到重要作用，拓寬了LED光源的應用領域，可以在一些對色彩還原度要求高的場合替代傳統的鹵素燈或金鹵燈。同時，人們也在不斷開發新型的LED用熒光粉。

紅色和綠色熒光粉的加入，顯著提高光源的顯色指數。ZL201210264610.3[11]公開了一種藍光激發的連續光譜熒光粉的制備方法，該熒光粉采用氧化鋅、氧化鑭、碳酸鈣等原料，調節激活離子Ce3+、Eu3+的含量，可以得到在藍光激發下發出470～700nm的連續光譜。同一基質的熒光粉在封裝過程中會體現出更多的優勢。

半導體納米晶熒光粉也是近年研究比較熱門的一個方向，因其有望改變目前LED對稀土材料的依賴，突破國外專利壁壘。同時，半導體納米晶熒光粉具有尺寸小、波長可調、發光光譜寬、自吸收小等特點，在白光LED應用中具有潛在的市場。

2.3 散熱基板

隨著LED技術的發展，功率越來越高，LED芯片的熱流密度更大，對封裝基板材料熱阻和膨脹系數的要求也越來越高。散熱基板發展迅速，品種也比較多，目前主要由金屬芯印刷電路板、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料，見表1。

金屬芯印刷電路板(MCPCB)是將原有的印刷電路板(PCB)附貼在另外一種熱傳導效果更好的金屬(鋁、銅)上，以此來強化散熱效果，而這片金屬位于印刷電路板內。這種技術能有效解決大功率器件在結構緊湊的趨勢下所帶來的散熱問題。MCPCB熱導率可達到1～2.2 W/(m·K)。

由于MCPCB的介電層沒有太好的熱傳導率(其熱導率為0.3W/(m·K))，使其成為散熱器的散熱瓶頸。金屬基散熱板具有高的熱導率，能為器件提供良好的散熱能力。將高分子絕緣層及銅箔電路與環氧樹脂黏接方式直接與鋁、銅板接合，然后再將LED配置在絕緣基板上，此絕緣基板的熱導率就比較高，達1.12 W/(m·K)。

陶瓷材料封裝基板穩定性好，可能是最有前景的研究方向。與金屬材料封裝基板相比，其省去絕緣層的復雜制作工藝。多層陶瓷金屬封裝(MLCMP)技術在熱處理方面與傳統封裝方法相比有大幅度的改善。新型的AlN陶瓷材料，具有導熱系數高、介電常數和介電損耗低的特點，被認為是新一代半導體封裝的理想材料。陶瓷覆銅板(DBC)[12]也是一種導熱性能優良的陶瓷基板，所制成的超薄復合基板具有優良電絕緣性能，高導熱特性，其熱導率可達24～28W/(m·K)。

對于LED封裝應用而言，散熱基板除具備基本的高導熱和布置電路功能外，還要求具有一定的絕緣、耐熱、相匹配的膨脹系數。透明陶瓷材料技術，不僅具備高散熱效率、耐熱電、膨脹系數匹配等性能外，同時還有望在封裝器件的光學性能上有所突破，實現全空間發光LED封裝。

2.4 熱界面材料

目前對于散熱的研究人們更多的注重芯片、基板、散熱器的材料和結構，卻往往忽略了熱界面材料的影響。熱界面材料是用于兩種材料間的填充物，在熱量傳遞過程中起到橋梁的作用。LED燈具是一個多層結構的組合體，若要快速導出芯片產生的熱量，盡量減小材料之間的熱阻，提高導熱率，熱界面材料的導熱性能在其中至關重要。目前用于LED封裝的熱界面材料有四種方式：導熱膠粘劑、導電銀膠、錫膏和錫金合金共晶焊接。

導熱膠是在基體內部加入一些高導熱系數的填料如SiC、AlN、Al2O3、SiO2等，從而提高其導熱能力。導熱膠的優點是價格低廉、具有絕緣性能、工藝簡單，但導熱性普遍較差，熱傳導系數在0.7W/(m·K)左右。

導電銀漿是在環氧樹脂內添加銀粉，其硬化溫度一般低于200℃，熱傳導系數為20W/(m·K)左右，具有良好的導熱特性，同時粘貼強度也較好，但銀漿對光的吸收比較大，導致光效下降。小功率LED芯片發熱量少，通過導電銀膠作為粘結層完全可以解決散熱以及可靠性問題[13]。導電錫膏的熱傳導系數約為50W/(m·K)，一般用于金屬之間焊接，導電性能也很優異。

錫金合金共晶焊接利用金屬的共晶點將兩種金屬焊在一起，適合作為大功率LED芯片的粘結材料。Kim等[14]通過比較導熱導電銀膠、Sn-Ag-Cu釬料和Au-Sn共晶釬料作為熱界面材料的散熱性能，發現對于SiC襯底片與Si基板的鍵合，Au/Sn共晶釬料的封裝熱阻明顯低于銀膠和Sn-Ag-Cu釬。

目前國內熱界面材料遠遠落后于國外水平，隨著LED封裝集成度的提高和熱流密度的增大，需要更高導熱效率的新型熱界面材料，以提高LED封裝器件間的熱量傳遞能力，如利用石墨烯、碳納米管、納米銀線作為填料進行復合，同時利用無機官能團對基料進行修飾等制備出低熱阻新型復合熱界面材料技術。對于LED封裝應用而言，理想的熱界面材料除了具備低熱阻外，還應有相匹配的膨脹系數和彈性模量，以及較好的機械性能、熱變形溫度高、成本較低等要求。

3 封裝結構

在LED芯片技術的快速發展下，LED產品的封裝形式也從單芯片封裝方式發展到多芯片封裝方式。它的封裝結構也從引腳式(Lamp)封裝到貼片式(SMD)封裝，再到基板表面組裝(CoB)封裝和遠程熒光(RP)封裝技術，見圖3。

圖3 封裝結構Fig.3 The structures of package

引腳式封裝(Lamp)采用引線架作各種封裝外型的引腳，是最先研發成功投放市場的LED封裝結構，品種數量繁多，技術成熟度較高。表面貼裝封裝(SMD)因減小了產品所占空間面積、降低重量、允許通過的工作電流大，尤其適合自動化貼裝生產，成為比較先進的一種工藝，從Lamp封裝轉SMD封裝符合整個電子行業發展大趨勢。但是在應用中存在散熱、發光均勻性和發光效率下降等問題。

CoB(Chip on Board)封裝結構是在多芯片封裝技術的基礎上發展而來，CoB封裝是將裸露的芯片直接貼裝在電路板上，通過鍵合引線與電路板鍵合，然后進行芯片的鈍化和保護[15]。CoB的優點在于：光線柔和、線路設計簡單、高成本效益、節省系統空間等[16]，但存在著芯片整合亮度、色溫調和與系統整合的技術問題。

遠程熒光封裝技術(RP)是將多顆藍光LED與熒光粉分開放置，LED發出的藍光在經過反射器、散射器等混光后均勻的入射到熒光粉層上，最終發出均勻白光的一種LED光源形式。與其他封裝結構相比，RP封裝技術性能更為特出：首先，是熒光粉體遠離LED芯片，熒光粉不易受PN結發熱的影響，特別是一些硅酸鹽類的熒光粉，易受高溫高濕的影響，在遠離熱源后可減少熒光粉熱猝滅幾率，延長光源的壽命。其次，熒光粉遠離芯片設計的結構有利于光的取出，提高光源發光效率。再者，此結構發出的光色空間分布均勻，顏色一致性高。近年來，紫外激發的遠程封裝技術引起人們的高度關注，相比傳統紫外光源，擁有獨一無二的優勢，包括功耗低、發光響應快、可靠性高、輻射效率高、壽命長、對環境無污染、結構緊湊等諸多優點，成為世界各大公司和研究機構新的研究熱點之一。

4 發展趨勢

近年來國內外眾多科研機構和企業對LED封裝技術持續開展研究，優良的封裝材料和高效的封裝工藝陸續被提出，高可靠性的LED照明新產品相繼出現，如：LED燈絲、軟基板封裝技術等(如圖4所示)，同時具備一定的使用性能要求。

圖4 新型封裝技術Fig.4 The new packaging technology

在對新型材料的不斷研制下，超導電和超導熱材料相繼問世，為LED封裝技術的進一步發展提供了堅實的基礎，如石墨烯。中國科學院半導體所發明了以石墨烯作為導熱層的倒裝結構發光二極管，利用石墨烯優越的導電性能，使得部分熱量可以經由石墨烯導熱層傳遞到襯底上，增加了器件的導熱通道，提高了散熱效果[17]。

目前LED芯片采用低壓直流驅動，這需要在電源驅動器中進行降壓整流處理，從而引起能量損耗和可靠性問題。為此，人們分別提出采用高壓的LED芯片和交流的LED芯片進行改善。2008年9月，臺灣工研院以芯片式交流電發光二極管照明技術(On Chip Alternating Current LED Lighting Technology)獲得美國R&D 100 Awards肯定。AC LED(Alternating Current LED)具有低能耗、高效率、使用方便等優異性能，同時也顛覆了傳統LED的應用。

三維封裝技術對于LED封裝而言是一種全新的概念，它對設計思路和理念、材料特性以及封裝技術本身提出更多創新性的要求。三維打印技術從出現到今天，有了長足的提高，使LED三維封裝技術成為一種可能，但目前存在許多需要克服的難題，如材料的復合制備、材料間熱應力平衡控制、生產效率等。因而可以說基于三維打印技術的LED封裝技術仍是較為遙遠的設想。

從長遠來看，LED封裝技術需要加快針對三維封裝的封裝材料、封裝結構以及多功能系統化集成的探究，按照集成電路的封裝概念，提高LED封裝的微型化，采用無鍵合金線的封裝方法，實現高光效光源模組器件的散熱能力，解決LED應用中光、熱、電三者的矛盾，最終實現智能系統化的LED封裝技術，滿足日益復雜的LED應用要求。

5 結語

隨著LED功率化、高效化、低成本、高可靠性的不斷發展，對封裝技術的要求將越來越苛刻，尤其是封裝材料和封裝工藝。封裝技術比較復雜，需要綜合考慮光學、熱學、電學、結構等方面的因素，同時低熱阻、穩定好的封裝材料和新穎優異的封裝結構仍是LED封裝技術的關鍵。在新的封裝材料與新的封裝結構完美的結合下，舒適、美觀和智能化的LED照明產品將不斷涌現。

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