Strategies Unlimited公布2011十大封装LED供应商
2012-2-9
2月8日，市场研究机构Strategies Unlimited公布最新数据，2011年全球高亮LED市场达到125亿美元，较2010年的113亿美元增长9.8%，其中照明部分从12亿美元增长到18亿美元，增长率为44%。不过，Strategies Unlimited预测未来5年，由于背光需求下降将抵消照明部分的增长，封装LED的总体市场规模将可能持平。2013年为最高峰。并预测2016年50%的智能手机将使用OLED。
Strategies Unlimited刚刚公布的2011前十大封装LED供应商为：
1. Nichia 日亚（日本）
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2. Samsung LED 三星LED（韩国）
3. Osram Opto Semiconductors 欧司朗（德国）
4. LG Innotek (韩国)
5. Seoul Semiconductor 首尔半导体（韩国）
6. Cree* 科锐（美国）
7. Philips Lumileds* 飞利浦（荷兰）
8. Sharp 夏普 （日本）
9. Toyoda Gosei丰田合成（日本）
10. Everlight 亿光（中国台湾）
注：按照封装LED的销售收入排名；Cree和Philips并列；芯片生产商晶元光电被排除；上述十家企业占据了2011年68%的市场份额。
大功率LED封装技术及发展趋势
2011-03-21
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，以降低芯片结温，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芯片结构、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。随着芯片功率的增大，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。从工艺兼容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与芯片设计同时进行，即芯片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等芯片制造完成后，可能由于封装的需要对芯片结构进行调整，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芯片面积小，因此，芯片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、封装材料选择（基板材料、热界面材料）与工艺、热沉设计等。
LED封装热阻主要包括材料（散热基板和热沉结构）内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量，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硅、金属（如铝，铜）、陶瓷（如Al2O3，AlN，SiC）和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底，将1mm芯片倒装在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（a），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芯片和相应的陶瓷基板，然后将LED芯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，热界面少，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（AlN或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2（b）所示。其中氮化铝（AlN）的热导率为160W/mk，热膨胀系数为4.0×10-6/℃（与硅的热膨胀系数3.2×10-6/℃相当），从而降低了封装热应力。
研究表明，封装界面对热阻影响也很大，如果不能正确处理界面，就难以获得良好的散热效果。例如，室温下接触良好的界面在高温下可能存在界面间隙，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界面和界面接触热阻，增强散热。因此，芯片和散热基板间的热界面材料（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，致使界面热阻很高。而采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料，可大大降低界面热阻。
（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：芯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，很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层（灌封胶），由于该胶层处于芯片和空气之间，从而有效减少了光子在界面的损失，提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护，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硅胶。硅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，提高硅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，但硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率降低，从而影响LED光效和光强分布。
荧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，荧光粉量子效率降低，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荧光粉的老化。原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成，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，高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。由于常用荧光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配，以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限（30nm），因而在荧光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。通过在硅胶中掺入纳米荧光粉，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。
传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合，然后点涂在芯片上。由于无法对荧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）技术可实现荧光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性，如图3（b）。但研究表明，当荧光粉直接涂覆在芯片表面时，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），通过在芯片表面布置一个聚焦透镜，并将含荧光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不仅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60％），如图3（c）。
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，通过将荧光粉内掺或外涂于玻璃表面，不仅提高了荧光粉的均匀度，而且提高了封装效率。此外，减少LED出光方向的光学界面数，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4所示。
1、引脚式（Lamp）LED封装
引脚式封装就是常用的3－5mm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屏。其缺点在于封装热阻较大（一般高于100K/W），寿命较短。
2、表面组装（贴片）式（SMT－LED）封装
表面组装技术（SMT）是一种可以直接将封装好的器件贴、焊到PCB表面指定位置上的一种封装技术。具体而言，就是用特定的工具或设备将芯片引脚对准预先涂覆了粘接剂和焊膏的焊盘图形上，然后直接贴装到未钻安装孔的PCB 表面上，经过波峰焊或再流焊后，使器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接。SMT技术具有可靠性高、高频特性好、易于实现自动化等优点，是电子行业最流行的一种封装技术和工艺。
3、板上芯片直装式（COB）LED封装
COB是Chip On Board（板上芯片直装）的英文缩写，是一种通过粘胶剂或焊料将LED芯片直接粘贴到PCB板上，再通过引线键合实现芯片与PCB板间电互连的封装技术。PCB板可以是低成本的FR－4材料（玻璃纤维增强的环氧树脂），也可以是高热导的金属基或陶瓷基复合材料（如铝基板或覆铜陶瓷基板等）。而引线键合可采用高温下的热超声键合（金丝球焊）和常温下的超声波键合（铝劈刀焊接）。COB技术主要用于大功率多芯片阵列的LED封装，同SMT相比，不仅大大提高了封装功率密度，而且降低了封装热阻（一般为6-12W/m.K）。
4、系统封装式（SiP）LED封装
SiP（System in Package）是近几年来为适应整机的便携式发展和系统小型化的要求，在系统芯片System on Chip（SOC）基础上发展起来的一种新型封装集成方式。对SiP－LED而言，不仅可以在一个封装内组装多个发光芯片，还可以将各种不同类型的器件（如电源、控制电路、光学微结构、传感器等）集成在一起，构建成一个更为复杂的、完整的系统。同其他封装结构相比，SiP具有工艺兼容性好（可利用已有的电子封装材料和工艺），集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分块测试，开发周期短等优点。按照技术类型不同，SiP可分为四种：芯片层叠型，模组型，MCM型和三维（3D）封装型。
目前，高亮度LED器件要代替白炽灯以及高压汞灯，必须提高总的光通量，或者说可以利用的光通量。而光通量的增加可以通过提高集成度、加大电流密度、使用大尺寸芯片等措施来实现。而这些都会增加LED的功率密度，如散热不良，将导致LED芯片的结温升高，从而直接影响LED器件的性能（如发光效率降低、出射光发生红移，寿命降低等）。多芯片阵列封装是目前获得高光通量的一个最可行的方案，但是LED阵列封装的密度受限于价格、可用的空间、电气连接，特别是散热等问题。由于发光芯片的高密度集成，散热基板上的温度很高，必须采用有效的热沉结构和合适的封装工艺。常用的热沉结构分为被动和主动散热。被动散热一般选用具有高肋化系数的翅片，通过翅片和空气间的自然对流将热量耗散到环境中。该方案结构简单，可靠性高，但由于自然对流换热系数较低，只适合于功率密度较低，集成度不高的情况。对于大功率LED封装，则必须采用主动散热，如翅片＋风扇、热管、液体强迫对流、微通道致冷、相变致冷等。
在系统集成方面，台湾新强光电公司采用系统封装技术（SiP）， 并通过翅片＋热管的方式搭配高效能散热模块，研制出了72W、80W的高亮度白光LED光源，如图5（a）。由于封装热阻较低（4.38℃/W），当环境温度为25℃时，LED结温控制在60℃以下，从而确保了LED的使用寿命和良好的发光性能。而华中科技大学则采用COB封装和微喷主动散热技术，封装出了220W和1500W的超大功率LED白光光源，如图5（b）。
（四）封装大生产技术
晶片键合（Wafer bonding）技术是指芯片结构和电路的制作、封装都在晶片（Wafer）上进行，封装完成后再进行切割，形成单个的芯片（Chip）；与之相对应的芯片键合（Die bonding）是指芯片结构和电路在晶片上完成后，即进行切割形成芯片（Die），然后对单个芯片进行封装（类似现在的LED封装工艺），如图6所示。很明显，晶片键合封装的效率和质量更高。由于封装费用在LED器件制造成本中占了很大比例，因此，改变现有的LED封装形式（从芯片键合到晶片键合），将大大降低封装制造成本。此外，晶片键合封装还可以提高LED器件生产的洁净度，防止键合前的划片、分片工艺对器件结构的破坏，提高封装成品率和可靠性，因而是一种降低封装成本的有效手段。
此外，对于大功率LED封装，必须在芯片设计和封装设计过程中，尽可能采用工艺较少的封装形式（Package-less Packaging），同时简化封装结构，尽可能减少热学和光学界面数，以降低封装热阻，提高出光效率。
（五）封装可靠性测试与评估
LED器件的失效模式主要包括电失效（如短路或断路）、光失效（如高温导致的灌封胶黄化、光学性能劣化等）和机械失效（如引线断裂，脱焊等），而这些因素都与封装结构和工艺有关。LED的使用寿命以平均失效时间（MTTF）来定义，对于照明用途，一般指LED的输出光通量衰减为初始的70％（对显示用途一般定义为初始值的50％）的使用时间。由于LED寿命长，通常采取加速环境试验的方法进行可靠性测试与评估。测试内容主要包括高温储存（100℃，1000h）、低温储存（－55℃，1000h）、高温高湿（85℃/85％，1000h）、高低温循环（85℃～－55℃）、热冲击、耐腐蚀性、抗溶性、机械冲击等。然而，加速环境试验只是问题的一个方面，对LED寿命的预测机理和方法的研究仍是有待研究的难题。
三、固态照明对大功率LED封装的要求
与传统照明灯具相比，LED灯具不需要使用滤光镜或滤光片来产生有色光，不仅效率高、光色纯，而且可以实现动态或渐变的色彩变化。在改变色温的同时保持具有高的显色指数，满足不同的应用需要。但对其封装也提出了新的要求，具体体现在：
（一）模块化
通过多个LED灯（或模块）的相互连接可实现良好的流明输出叠加，满足高亮度照明的要求。通过模块化技术，可以将多个点光源或LED模块按照随意形状进行组合，满足不同领域的照明要求。
（二）系统效率最大化
为提高LED灯具的出光效率，除了需要合适的LED电源外，还必须采用高效的散热结构和工艺，以及优化内/外光学设计，以提高整个系统效率。
（三）低成本
LED灯具要走向市场，必须在成本上具备竞争优势（主要指初期安装成本），而封装在整个LED灯具生产成本中占了很大部分，因此，采用新型封装结构和技术，提高光效/成本比，是实现LED灯具商品化的关键。
（四）易于替换和维护
由于LED光源寿命长，维护成本低，因此对LED灯具的封装可靠性提出了较高的要求。要求LED灯具设计易于改进以适应未来效率更高的LED芯片封装要求，并且要求LED芯片的互换性要好，以便于灯具厂商自己选择采用何种芯片。
LED灯具光源可由多个分布式点光源组成，由于芯片尺寸小，从而使封装出的灯具重量轻，结构精巧，并可满足各种形状和不同集成度的需求。唯一的不足在于没有现成的设计标准，但同时给设计提供了充分的想象空间。此外，LED照明控制的首要目标是供电。由于一般市电电源是高压交流电（220V，AC），而LED需要恒流或限流电源，因此必须使用转换电路或嵌入式控制电路（ASICs），以实现先进的校准和闭环反馈控制系统。此外，通过数字照明控制技术，对固态光源的使用和控制主要依靠智能控制和管理软件来实现，从而在用户、信息与光源间建立了新的关联，并且可以充分发挥设计者和消费者的想象力。
四、结束语
LED封装是一个涉及到多学科（如光学、热学、机械、电学、力学、材料、半导体等）的研究课题。从某种角度而言，LED封装不仅是一门制造技术（Technology），而且也是一门基础科学（Science），良好的封装需要对热学、光学、材料和工艺力学等物理本质的理解和应用。LED封装设计应与芯片设计同时进行，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、荧光粉、灌封胶）选择很重要，但封装结构（如热学界面、光学界面）对LED光效和可靠性影响也很大，大功率白光LED封装必须采用新材料，新工艺，新思路。对于LED灯具而言，更是需要将光源、散热、供电和灯具等集成考虑。
2011-5-13
从实际应用的角度来看，安装使用简单、体积相对较小的大功率LED器件在大部分的照明应用中必将取代传统的小功率led器件。由小功率LED组成的照明灯具为了满足照明的需要，必须集中许多个LED的光能才能达到设计要求，但带来的缺点是线路异常复杂、散热不畅，为了平衡各个LED之间的电流、电压关系，必须设计复杂的供电电路。相比之下，大功率单体LED的功率远大于若干个小功率LED的功率总和，供电线路相对简单，散热结构完善，物理特性稳定。所以说，大功率LED器件的封装方法和封装材料并不能简单地套用传统的小功率LED器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率、大的发热量以及高的出光效率，给LED封装工艺、封装设备和封装材料提出了新的更高的要求。
1、大功率LED芯片
要想得到大功率LED器件，就必须制备合适的大功率LED芯片。国际上通常的制造大功率LED芯片的方法有如下几种：
①加大尺寸法。通过增大单体LED的有效发光面积和尺寸，促使流经TCL层的电流均匀分布，以达到预期的光通量。但是，简单地增大发光面积无法解决散热问题和出光问题，并不能达到预期的光通量和实际应用效果。
②硅底板倒装法。首先制备出适合共晶焊接的大尺寸LED芯片，同时制备出相应尺寸的硅底板，并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金导电层及引出导电层（超声金丝球焊点），再利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊接在一起。这样的结构较为合理，既考虑了出光问题又考虑到了散热问题，这是目前主流的大功率LED的生产方式。
美国Lumileds公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒装芯片（FCLED）结构，其制造流程是：首先在外延片顶部的P型GaN上淀积厚度大于500A的NiAu层，用于欧姆接触和背反射；再采用掩模选择刻蚀掉P型层和多量子阱有源层，露出N型层；经淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层，芯片尺寸为1mm×1mm，P型欧姆接触为正方形，N型欧姆接触以梳状插入其中，这样可缩短电流扩展距离，把扩展电阻降至最小；然后将金属化凸点的AlGaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管（ESD）的硅载体上。
③陶瓷底板倒装法。先利用LED晶片通用设备制备出具有适合共晶焊接电极结构的大出光面积的LED芯片和相应的陶瓷底板，并在陶瓷底板上制作出共晶焊接导电层及引出导电层，然后利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与陶瓷底板焊接在一起。这样的结构既考虑了出光问题也考虑到了散热问题，并且采用的陶瓷底板为高导热陶瓷板，散热效果非常理想，价格又相对较低，所以为目前较为适宜的底板材料，并可为将来的集成电路一体化封装预留空间。
④蓝宝石衬底过渡法。按照传统的InGaN芯片制造方法在蓝宝石衬底上生长出PN结后，将蓝宝石衬底切除，再连接上传统的四元材料，制造出上下电极结构的大尺寸蓝光LED芯片。
⑤AlGaInN碳化硅（SiC）背面出光法。美国Cree公司是全球唯一采用SiC衬底制造AlGaInN超高亮度LED的厂家，几年来其生产的AlGaInN/SiCa芯片结构不断改进，亮度不断提高。由于P型和N型电极分别位于芯片的底部和顶部，采用单引线键合，兼容性较好，使用方便，因而成为AlGaInNLED发展的另一主流产品。
2、功率型封装
功率LED最早始于HP公司于20世纪90年代初推出“食人鱼”封装结构的LED，该公司于1994年推出的改进型的“SnapLED”有两种工作电流，分别为70mA和150mA，输入功率可达0.3W。功率LED的输入功率比原支架式封装的LED的输入功率提高了几倍，热阻降为原来的几分之一。瓦级功率LED是未来照明器件的核心部分，所以世界各大公司都投入了很大力量对瓦级功率LED的封装技术进行研究开发。
LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比φ5mmLED大10~20倍的光通量，必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题，因此，管壳及封装是其关键技术，目前能承受数瓦功率的LED封装已出现。5W系列白色、绿色、蓝绿色、蓝色的功率型LED从2003年年初开始推向市场，白光LED的光输出达187lm，光效为44.3lm/W。目前正开发出可承受10W功率的LED，采用大面积管芯，尺寸为2.5mm×2.5mm，可在5A电流下工作，光输出达200lm。
Luxeon系列功率LED是将AlGaInN功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上，然后把完成倒装焊接的硅载体装入热衬与管壳中，键合引线进行封装。这种封装的取光效率、散热性能以及加大工作电流密度的设计都是最佳的。
在应用中，可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上，形成功率密度型LED，PCB板作为器件电极连接的布线使用，铝芯夹层则可作为热衬使用，以获得较高的光通量和光电转换效率。此外，封装好的SMD-LED体积很小，可灵活地组合起来，构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。
超高亮度LED作为信号灯和其他辅助照明光源应用时，一般是将多个Φ5mm封装的各种单色和白光LED组装在一个灯盘或标准灯座上，使用寿命可达到10万小时。2000年已有研究指出，Φ5mm白光LED工作6000h后，其光强已降至原来的一半。事实上，采用Φ5mm白光LED阵列的发光装置，其寿命可能只有5000h。不同颜色的LED的光衰减速度不同，其中红色最慢，蓝、绿色居中，白色最快。由于Φ5mm封装的LED原来仅用于指示灯，其封装热阻高达300℃/W，不能充分地散热，致使LED芯片的温度升高，造成器件光衰减加快。此外，环氧树脂变黄也将使光输出降低。大功率LED在大电流下产生比Φ5mm白光LED大10~20倍的光通量，因此必须通过有效的散热设计和采用不劣化的封装材料来解决光衰问题，管壳及封装已成为研制大功率LED的关键技术之一。全新的LED功率型封装设计理念主要归为两类，一类为单芯片功率型封装，另一类为多芯片功率型封装。
（1）功率型LED的单芯片封装
1998年美国Lumileds公司研制出了Luxeon系列大功率LED单芯片封装结构，这种功率型单芯片LED封装结构与常规的Φ5mmLED封装结构全然不同，它是将正面出光的LED芯片直接焊接在热衬上，或将背面出光的LED芯片先倒装在具有焊料凸点的硅载体上，然后再将其焊接在热衬上，使大面积芯片在大电流下工作的热特性得到改善。这种封装对于取光效率、散热性能和电流密度的设计都是最佳的，其主要特点有：
①热阻低。
传统环氧封装具有很高的高热阻，而这种新型封装结构的热阻一般仅为14℃/W，可减小至常规LED的1/20。
②可靠性高。内部填充稳定的柔性胶凝体，在40~120℃时，不会因温度骤变产生的内应力使金丝和框架引线断开。用这种硅橡胶作为光耦合的密封材料，不会出现普通光学环氧树脂那样的变黄现象，金属引线框架也不会因氧化而脏污。
③反射杯和透镜的最佳设计使辐射可控，光学效率最高。在应用中可将它们组装在一个带有铝夹层的电路板（铝芯PCB板）上，电路板作为器件电极连接的布线用，铝芯夹层则可作为功率型LED的热衬。这样不仅可获得较高的光通量，而且还具有较高的光电转换效率。
单芯片瓦级功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LuxeonLED，该封装结构的特点是采用热电分离的形式，将倒装片用硅载体直接焊接在热衬上，并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料，现可提供单芯片1W、3W和5W的大功率LED产品。OSRAM公司于2003年推出单芯片的GoldenDragon系列LED，其结构特点是热衬与金属线路板直接接触，具有很好的散热性能，而输入功率可达1W。
（2）功率型LED的多芯片组合封装
六角形铝衬底的直径为3.175cm(1.25英寸)，发光区位于其中央部位，直径约为0.9525cm（0.375英寸），可容纳40个LED芯片。用铝板作为热衬，并使芯片的键合引线通过在衬底上做成的两个接触点与正极和负极连接。根据所需输出光功率的大小来确定衬底上排列管芯的数目，组合封装的超高亮度芯片包括AlGaInN和AlGaInP，它们的发射光可为单色、彩色（RGB）、白色（由RGB三基色合成或由蓝色和黄色二元合成）。最后采用高折射率的材料按照光学设计形状进行封装，不仅取光效率高，而且还能够使芯片和键合的引线得到保护。由40个AlGaInP(AS)芯片组合封装的LED的流明效率为20lm/W。采用RGB三基色合成白光的组合封装模块，当混色比为0：43（R）0：48（G）：0.009(B)时，光通量的典型值为100lm，CCT标准色温为4420K，色坐标x为0.3612，y为0.3529。由此可见，这种采用常规芯片进行高密度组合封装的功率型LED可以达到较高的亮度水平，具有热阻低、可在大电流下工作和光输出功率高等特点。
多芯片组合封装的大功率LED，其结构和封装形式较多。美国UOE公司于2001年推出多芯片组合封装的Norlux系列LED，其结构是采用六角形铝板作为衬底。LaninaCeramics公司于2003年推出了采用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷（LTCC-M）技术封装的大功率LED阵列。松下公司于2003年推出由64只芯片组合封装的大功率白光LED。日亚公司于2003年推出超高亮度白光LED，其光通量可达600lm，输出光束为1000lm时，耗电量为30W，最大输入功率为50W，白光LED模块的发光效率达33lm/W。我国台湾UEC（国联）公司采用金属键合（MetalBonding）技术封装的MB系列大功率LED的特点是，用Si代替GaAs衬底，散热效果好，并以金属粘结层作为光反射层，提高了光输出。
功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等，因此，功率型LED芯片的封装设计、制造技术显得尤为重要。
大功率LED封装中主要需考虑的问题有：
①散热。散热对于功率型LED器件来说是至关重要的。如果不能将电流产生的热量及时地散出，保持PN结的结温在允许范围内，将无法获得稳定的光输出和维持正常的器件寿命。
在常用的散热材料中银的导热率最高，但是银的成本较高，不适宜作通用型散热器。铜的导热率比较接近银，且其成本较银低。铝的导热率虽然低于铜，但其综合成本最低，有利于大规模制造。
经过实验对比发现较为合适的做法是：连接芯片部分采用铜基或银基热衬，再将该热衬连接在铝基散热器上，采用阶梯型导热结构，利用铜或银的高导热率将芯片产生的热量高效地传递给铝基散热器，再通过铝基散热器将热量散出（通过风冷或热传导方式散出）。这种做法的优点是：充分考虑散热器的性价比，将不同特点的散热器结合在一起，做到高效散热并使成本控制合理化。
应注意的是：连接铜基热衬与芯片的材料的选择是十分重要的，LED行业常用的芯片连接材料为银胶。但是，经过研究发现，银胶的热阻为10~25W/(m·K)，如果采用银胶作为连接材料，就等于人为地在芯片与热衬之间加上一道热阻。另外，银胶固化后的内部基本结构为环氧树脂骨架+银粉填充式导热导电结构，这种结构的热阻极高且TG点较低，对器件的散热与物理特性的稳定极为不利。解决此问题的做法是：以锡片焊作为晶粒与热衬之间的连接材料[锡的导热系数为67W/（m·K）]，可以获得较为理想的导热效果（热阻约为16℃/W）。锡的导热效果与物理特性远优于银胶。
②出光。传统的LED器件封装方式只能利用芯片发出的约50%的光能，由于半导体与封闭环氧树脂的折射率相差较大，致使内部的全反射临界角很小，有源层产生的光只有小部分被取出，大部分光在芯片内部经多次反射而被吸收，这是超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。如何将内部不同材料间折射、反射消耗的50%光能加以利用，是设计出光系数的关键。
通过芯片的倒装技术（FlipChip）可以比传统的LED芯片封装技术得到更多的有效出光。但是，如果说不在芯片的发光层与电极下方增加反射层来反射出浪费的光能，则会造成约8%的光损失，所以在底板材料上必须增加反射层。芯片侧面的光也必须利用热衬的镜面加工法加以反射出，增加器件的出光率。而且在倒装芯片的蓝宝石衬底部分与环氧树脂导光结合面上应加上一层硅胶材料，以改善芯片出光的折射率。
经过上述光学封装技术的改善，可以大幅度提高大功率LED器件的出光率（光通量）。大功率LED器件顶部透镜的光学设计也是十分重要的，通常的做法是：在进行光学透镜设计时应充分考虑最终照明器具的光学设计要求，尽量配合应用照明器具的光学要求进行设计。
常用的透镜形状有：凸透镜、凹锥透镜、球镜、菲涅尔透镜以及组合式透镜等。透镜与大功率LED器件的理想装配方法是采取气密性封装，如果受透镜形状所限，也可采取半气密性封装。透镜材料应选择高透光率的玻璃或亚克力等合成材料，也可以采用传统的环氧树脂模组式封装，加上二次散热设计也基本可以达到提高出光率的效果。
3、功率型LED的进展
功率型LED的研制起始于20世纪60年代中期的GaAs红外光源，由于其可靠性高、体积小、重量轻，可在低电压下工作，因此被首先用于军用夜视仪，以取代原有的白炽灯，20世纪80年代InGaAsP/InP双异质结红外光源被用于一些专用的测试仪器，以取代原有的体积大、寿命短的氙灯。
这种红外光源的直流工作电流可达1A，脉冲工作电流可达24A。红外光源虽属早期的功率型LED，但它一直发展至今，产品不断更新换代，应用更加广泛，并成为当今可光功率型LED发展可继承的技术基础。
1991年，红、橙、黄色AlGaInP功率型LED的实用化，使LED的应用从室内走向室外，成功地用于各种交通信号灯，汽车的尾灯、方向灯以及户外信息显示屏。蓝、绿色AlGaInN超高亮度LED的相继研制成功，实现了LED的超高亮度全色化，然而用于照明则是超高亮度LED拓展的又一全新领域，用LED固体灯取代白炽灯和荧光灯等传统玻壳照明光源已成为LED发展目标。因此，功率型LED的研发和产业化将成为今后发展的另一重要方向，其技术关键是不断提高发光效率和每一器件（组件）的光通量。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，虽然其内量子效率还需进一步提高，但获得高光通量的最大障碍仍是芯片的取光效率很低。目前由于沿用了传统的指示灯型LED封装结构，工作电流一般被限定为20mA。按照这种常规理念设计和制作的功率型LED根本无法达到高效率和高光通量的要求。为了提高可见光功率型LED的发光效率和光通量，必须采用新的设计理念，一方面通过设计新型芯片结构来提高取光效率，另一方面通过增大芯片面积、加大工作电流、采用低热阻的封装结构来提高器件的光电转换效率。因此，设计和制作新型芯片和封装结构，不断提高器件的取光效率和光电转换效率，一直是功率型LED发展中至关重要的课题。
功率型LED大大扩展了LED在各种信号显示和照明光源领域中的应用，主要有汽车内外灯和各种交通信号灯，包括城市交通、铁路、公路、机场、海港灯塔、安全警示灯等。功率型白光LED作为专用照明光源已开始用于汽车和飞机内的阅读灯，在便携式照明光源（如钥匙灯、手电筒）、背光源及矿工灯等应用方面也得到越来越多的应用。白光除了由三基色合成外，还可通过将一种特制的磷光体涂敷在GaN蓝色或紫外波长的功率型LED芯片上而形成。功率型LED在建筑物装饰光源、舞台灯光、商场橱窗照明、广告灯箱照明、庭院草坪照明、城市夜景等方面与其同类产品相比显示出了它独有的特点。使用功率型RGB三基色LED，可制成结构紧凑、发光效率比传统白炽灯光源高的数字式调色调光光源，配合计算机控制技术，可得到极其丰富多彩的发光效果。功率型LED所具有的低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高等优点，使其在军事上还可作为野战、潜水、航天、航空所需的特种固体光源。
功率型LED结构的进步，取光和热衬的优化设计使其发光效率和光通量不断提高，由多个5mmLED组装的灯盘和灯头将被由功率型LED组装的灯芯所取代。从1970年至2000年的最近30年以来，光通量每18~24个月要增加2倍。自1998年Norlux系列功率型LED问世后，光通量的增加趋势则更快。
随着功率型LED性能的改进，LED照明光源引起了照明领域的更大的关注。普通照明市场的需求是巨大的，功率型LED白光技术将更能适应普通照明的应用。只要LED产业能持续这一开发方向，则LED固体照明在未来5~10年将会取得重大的市场突破。
大功率LED散热新突破 陶瓷COB技术大幅节省封装成本
2010-11-25 文章来源：OFweek半导体照明网
LED封装方式是以晶粒(Die)经过打线、共晶或覆晶封装技术与其散热基板Submount(次黏着技术)链接而成LED芯片，再将芯片固定于系统板上链接成灯源模块。
目前，LED封装方法大致可区分为透镜式(Lens-type)以及反射杯式(Reflector-type)，其中透镜的成型可以是模塑成型(Molding)或透镜黏合成型；而反射杯式芯片则多由混胶、点賿、封装成型。
近年来磊晶、固晶及封装设计逐渐成熟，LED的晶粒尺寸与结构逐年微小化，高功率单颗晶粒功率达1~3W，甚至是3W以上，当LED功率不断提升，对于LED晶粒载版及系统电路版的散热及耐热要求，便日益严苛。
鉴于绝缘、耐压、散热与耐热等综合考虑，陶瓷基板成为以晶粒次黏着技术的重要材料之一。其技术可分为厚膜制程(Thick film)、低温共烧制程(LTCC)与薄膜制程(DPC)等方式制成。然而，厚膜制程与低温共烧制程，是利用网印技术与高温制程烧结，易产生线路粗糙、对位不精准、与收缩比例问题，若针对线路越来越精细的高功率LED产品，或是要求对位准确的共晶或覆晶制程生产的LED产品而言，厚膜与低温共烧的陶瓷基板，己逐渐不敷使用。
为此，高散热系数薄膜陶瓷散热基板,运用溅镀、电／化学沉积，以及黄光微影制程而成，具备金属线路精准、材料系统稳定等特性，适用于高功率、小尺寸、高亮度的LED的发展趋势，更是解决了共晶／覆晶封装制程对陶瓷基板金属线路分辨率与精确度的严苛要求。薄膜陶瓷COB(Chip On Board)散热基板可以符合不同照明需求。
当LED晶粒以陶瓷作为载板时，此LED模块的散热瓶颈则转至系统电路板，其将热能由LED芯片传至散热鳍片及大气中，随着LED晶粒功能的逐渐提升，材料亦逐渐由FR4转变至金属芯印刷电路基板(MCPCB)，但随着高功率LED的需求进展，MCPCB材质的散热系数(2~4W/mk)无法用于更高功率的产品，为此，陶瓷电路板(Ceramic circuit board)的需求便逐渐普及。
为确保LED产品在高功率运作下的材料稳定性与光衰稳定性，以陶瓷作为散热及金属布线基板的趋势已日渐明朗。陶瓷材料目前成本高于MCPCB，因此，如何利用陶瓷高散热系数特性下，节省材料使用面积以降低生产成本，成为陶瓷LED发展的重要指标。因此，近年来，以陶瓷材料COB设计整合多晶封装与系统线路亦逐渐受到各封装与系统厂商重视。
COB在电子制造业里并不是新技术，是指直接将裸晶圆黏贴在电路板上，并将导线／焊线直接焊接在PCB的镀金线路上，也是俗称中的打线(Wire bonding)，再透过封胶的技术，有效的将IC制造过程中的封装步骤在电路板上直接组装。在LED产业中，由于现代科技产品越来越讲究轻薄与高可移植性，此外，为了节省多颗LED芯片设计的系统板空间问题，在高功率LED系统需求中，便开发出直接将晶粒黏贴于系统板的COB技术。
COB优点在于：高成本效益、线路设计简单、节省系统板空间等，但亦存在着晶粒整合亮度、色温调和与系统整合的技术门坎。以25W的LED为例，传统高功率25W的LED光源，须采用25颗1W的LED芯片封装成25颗LED组件，而COB封装是将25颗1W的LED芯片封装在单一芯片中，因此需要的二次光学透镜将从25片缩减为1片，有助于缩小光源面积、缩减材料、系统成本，进而可简化光源系二次光学设计并节省组装人力成本。
此外，高功率COB封装仅需单颗高功率LED即可取代多颗1瓦(含)以上LED封装，促使产品体积更加轻薄短小。目前市面上，生产COB产品仍以使用MCPCB基板为主，然而MCPCB仍有许多散热以及光源面积过大的问题须解决，故其根本之道，还是从散热材料更新为最有效的解决方案。
陶瓷COB基板有以下几点好处：1.薄膜制程，让基本上的线路更加精确；(2)量大降低成本；(3)可塑性高，可依合作伙伴的不同需求做。
COB的发展，是简化系统板的趋势，照明灯具的实用化、亮度、散热以及成本的控管，都是重要的关键因素。ICP除了提供各种薄膜散热基板给单颗芯片封装外，更提供了独立发展的薄膜线路COB基板，给不同高功率用途的用户，与其更弹性的选择，以期待LED照明早日变的更普及化，为地球绿化尽一份心力。
●共晶焊接
技术最关键是共晶材料的选择及焊接温度的控制。新一代的InGaN高亮度LED,如采用共晶焊接，晶粒底部可以采用纯锡（Sn）或金锡（Au-Sn）合金作接触面镀层，晶粒可焊接于镀有金或银的基板上。当基板被加热至适合的共晶温度时，金或银元素渗透到金锡合金层，合金层成份的改变提高溶点，令共晶层固化并将LED紧固的焊于热沉或基板上。
选择共晶温度视乎晶粒、基板及器件材料耐热程度及往后SMT回焊制程时的温度要求。考虑共晶固晶机台时，除高位置精度外，另一重要条件就是有灵活而且稳定的温度控制，加有氮气或混合气体装置，有助于在共晶过程中作防氧化保护。当然和银浆固晶一样，要达至高精度的固晶，有赖于严谨的机械设计及高精度的马达运动，才能令焊头运动和焊力控制恰到好处之余，亦无损高产能及高良品率的要求。
进行共晶焊接工艺时亦可加入助焊剂，这技术最大的特点是无须额外附加焊力，故此不会因固晶焊力过大而令过多的共晶合金溢出，减低LED产生短路的机会。
● 覆晶（FlipChip）焊接
覆晶焊接近年被积极地运用于大功率LED制程中，覆晶方法把GaNLED晶粒倒接合于散热基板上，因没有了金线焊垫阻碍，对提高亮度有一定的帮助。因为电流流通的距离缩短，电阻减低，所以热的产生也相对降低。同时这样的接合亦能有效地将热转至下一层的散热基板再转到器件外面去。当此工艺被应用在，不但提高光输出，更可以使产品整体面积缩小，扩大产品的应用市场。