大功率LED光源光有好芯片還不夠，還必須有合理的封裝。要有高的取光效率的封裝結構，而熱阻盡可能低，從而保證光電的性能及可靠性。

一、LED光源封裝工藝

由于LED的結構形式不同，封裝工藝上也有一些差別，但關鍵工序相同，LED封裝主要工藝有：固晶→焊線→封膠→切腳→分級→包裝。

二、大功率LED封裝關鍵技術

1、封裝技術的要求

如圖1所示，大功率LED封裝涉及到光、電、熱、結構和工藝等方面，這些因素既獨立又影響。光是封裝的目的，電、結構與工藝是手段，熱是關鍵，性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。考慮到工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本，應同時進行LED封裝設計與芯片設計，否則，芯片制造完成后，可能因封裝的需要對芯片結構進行調整，將可能延長產(chǎn)品研發(fā)的周期和成本，甚至會不能實現(xiàn)量產(chǎn)。

2、封裝結構設計和散熱技術

LED的光電轉換效率僅為20%～30%，輸入電能的70%～80%轉變成了熱量，芯片的散熱是關鍵。小功率LED封裝一般采用銀膠或絕緣膠將芯片黏接在反射杯里，通過焊接金絲(或鋁絲)完成內外連接，最后用環(huán)氧樹脂封裝。封裝熱阻高達150～250℃/W，一般采用20mA左右的驅動電流。大功率LED的驅動電流達到350mA、700mA甚至1A，采用傳統(tǒng)直插式LED封裝工藝，會因散熱不良導致芯片結溫上升，再加上強烈的藍光照射，環(huán)氧樹脂很容易產(chǎn)生黃化現(xiàn)象，加速器件老化，甚至失效，迅速熱膨脹產(chǎn)生的內應力造成開路而死燈。大功率LED封裝結構設計的重點是改善散熱性能，主要包括芯片結構形式、封裝材料(基板材料、熱界面材料)的選擇與工藝、將導電與導熱路線分開的結構設計等，比如：采用倒裝芯片結構、減薄襯底或垂直芯片結構的芯片，選用共晶焊接或高導熱性能的銀膠、采用COB技術將芯片直接封裝在金屬鋁基板上、增大金屬支架的表面積等方法。

3、光學設計技術

不同用途的產(chǎn)品對LED的色坐標、色溫、顯色性、光強和光的空間分布等要求不同。為提高器件的取光效率，并實現(xiàn)更優(yōu)的出光角度和配光曲線，需要對芯片反光杯與透鏡進行光學設計。大功率LED通常是將LED芯片安裝在反射杯的熱沉、支架或基板上，反射杯一般采用鍍高反射層(鍍Ag或Al)的方式提高反射效果，大功率LED出光效率還受模具精度及工藝影響很大，如果處理不好，容易導致很多光線被吸收，無法按預期目標發(fā)射出來，導致封裝后的大功率LED發(fā)光效率偏低。

4、灌封膠的選擇

灌封膠的作用有兩點：(1)對芯片、金線進行機械保護;(2)作為一種光導材料，將更多的光導出。封裝時，LED芯片產(chǎn)生的光向外發(fā)射產(chǎn)生的損失主要有：(1)光子在LED芯片出射界面由于折射率差引起的反射損失(即菲涅爾損失);(2)光學吸收;(3)全內反射損失。因此，在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明光學材料，可以減少光子在界面的損失，提高出光效率。常用的灌封膠有環(huán)氧樹脂和硅膠。環(huán)氧樹脂黏度低、流動性好、固化速度適中，固化后無氣泡、表面平整、有很好的光澤、硬度高，防潮防水防塵性能佳，耐濕熱和大氣老化，成本較低，是LED封裝首選。硅膠具有透光率高、熱穩(wěn)定性好、折射率大、吸濕性低、應力小等特點，優(yōu)于環(huán)氧樹脂，但成本較高。小功率LED一般選用環(huán)氧樹脂封裝，大功率LED內部通常填充透明度高的柔性硅膠，膠體不會因照射高溫或紫外線出現(xiàn)老化變黃，也不會因溫度驟變而導致器件開路的現(xiàn)象，通過提高硅膠折射率，可減少菲涅爾損失，提高出光效率。

5、熒光粉涂敷量和均勻性控制技術

大功率白光LED的發(fā)光效率和光的質量與熒光粉的選擇和工藝過程有關。熒光粉的選擇包括激發(fā)波長與芯片波長的匹配、顆粒大小與均勻度、激發(fā)效率等。熒光粉涂覆根據(jù)藍光芯片的發(fā)光分布進行調整，使混出的白光均勻，否則會出現(xiàn)藍黃圈現(xiàn)象，嚴重的會影響光源質量，激發(fā)效率也會大幅下降。熒光粉與膠體的混合配方及涂膠工藝是保證LED光色在空間分布均勻和一致性的關鍵。將熒光粉與膠按一定配比混合后涂到芯片上，在LED芯片上方形成半球狀。這種分布會使光色的空間分布不均勻，有黃圈或藍圈。另外，在熒光粉涂敷過程中，由于膠的黏度是動態(tài)參數(shù)、熒光粉比重大于膠產(chǎn)生沉淀，使熒光粉的涂敷量控制增加了更多變數(shù)，容易導致白光的光色空間分布不均勻。目前，美國Lumileds公司率先研制使用的熒光粉等厚蒸鍍工藝，通過蒸鍍的方法在芯片上均勻地覆蓋一層熒光粉，可改善光色的空間分布均勻性。

三、大功率LED封裝的可靠性分析

1、靜電對LED芯片造成的損傷

瞬間的電場或電流產(chǎn)生的熱使LED局部受損傷，表現(xiàn)為漏電流迅速增加，有時雖能工作，但亮度降低或白光變色，壽命受損。當電場或電流擊穿LED的PN結時，LED內部完全破壞造成死燈。在LED封裝生產(chǎn)線，所有設備都要求接地，一般接地電阻為4Ω，要求高的場所接地電阻為≤2Ω。LED應用流水線設備和人員接地不良也會造成LED損壞。按照LED使用手冊標準規(guī)定，LED引線距膠體應不少于3～5mm進行彎腳或焊接，但大多數(shù)應用企業(yè)做不到，僅相隔一塊PCB板的厚度(≤2mm)進行焊接，也會對LED造成損害。過高的焊接溫度使芯片特性變壞，降低發(fā)光效率，甚至死燈。尤其是一些小企業(yè)采用40W普通烙鐵手工焊接，無法控制焊接溫度，烙鐵溫度一般在300℃～400℃，LED引線高溫膨脹系數(shù)比150℃左右的膨脹系數(shù)高幾倍，內部的金絲焊點會因熱脹冷縮將焊接點拉開，造成死燈。

2、LED器件內部連接線開路

支架排的優(yōu)劣是影響LED性能的關鍵。支架排采用銅或鐵經(jīng)精密模具沖壓而成，由于銅材較貴，大多采用冷軋低碳鋼沖壓LED支架排，鐵支架排鍍銀。鍍銀的作用有兩點：(1)防止氧化生銹;(2)方便焊接。因為每年都有一段時間空氣濕度大，容易造成電鍍差的金屬件生銹，使LED元件失效。封裝好的LED會因鍍銀層太薄而附著力不大，焊點脫離支架造成死燈。另外，封裝的每道工序必須嚴格操作，任何環(huán)節(jié)的疏忽都會造成死燈。

固晶工序，膠量必須恰到好處，固晶膠點不能過多或過少，多點了膠會返到芯片金墊上造成短路，而少點了膠芯片黏不牢，散熱性能變差。

焊接工序，要適當配合金絲球焊機的壓力、溫度、時間、功率參數(shù)，一般固定時間，而調節(jié)其他三個參數(shù)。應適中調節(jié)壓力，過大易壓碎芯片，太小又易虛焊。焊接溫度一般在280℃。功率調節(jié)是指超聲波功率調節(jié)，過大過小都不好，以適中為度。金絲球焊機參數(shù)的調節(jié)，以焊接好的材料用推拉力機檢測不小于10g為合格。

3、大功率LED可靠性測試與評估

大功率LED器件與封裝結構和工藝相關的失效模式有光失效(如灌封膠黃化、光學性能劣化等)、電失效(如短路斷路)和機械失效(如引線斷裂、脫焊等)。以平均失效時間定義LED的使用壽命，一般指LED的輸出光通量衰減為初始值的70%的使用時間(用于顯示屏一般為初始值的50%)。通常采取加速環(huán)境試驗的方法進行可靠性測試和評估，測試內容包括高溫儲存(100℃，1000h)、高溫高濕(85℃/85%，1000h)、低溫儲存(-55℃，1000h)、高低溫循環(huán)(85℃～-55℃)、冷熱沖擊、抗溶性、耐腐蝕性、機械沖擊等。

四、固態(tài)照明對大功率LED封裝的要求

在固態(tài)照明領域的應用LED對大功率白光LED封裝提出新的挑戰(zhàn)，在提高散熱效率、驅動控制系統(tǒng)優(yōu)化、配光設計方面也有大的提升空間。

1、進一步提升發(fā)光效率

LED的理論發(fā)光效率達到300lm/W以上，目前試驗室大功率白光LED的發(fā)光效率超過150lm/W，而量產(chǎn)、性價比高的大功率白光LED發(fā)光效率僅在70～100lm/W左右，沒有充分發(fā)揮出節(jié)能優(yōu)勢。因此，發(fā)光芯片的效率有待提高，還要從結構設計、材料技術及工藝技術等方面入手，完善封裝工藝。

2、進一步提升光譜質量

人眼習慣于太陽發(fā)出的連續(xù)光譜的光，目前白光LED光譜的不連續(xù)性，尤其是熒光粉轉化的白光LED存在色溫偏高、顯色性不高等問題。開發(fā)高顯指和寬光譜的LED光源，滿足照明對光源質量的高要求。

3、進一步提高光色一致性

大功率白光LED需要保持良好的發(fā)光效率穩(wěn)定性，不能衰減過快，也不能因為長時間使用，白光顏色發(fā)生黃變影響光色質量。

4、進一步降低成本

LED燈具市場化價格是關鍵。目前大功率LED室內照明燈具光源部分占成本較大比重，初次購買成本約為傳統(tǒng)照明燈具的5～10倍。采用新型封裝結構和技術，提高光效/成本比，降低大功率LED的單位流明成本。

總之，LED封裝是一門涉及光學、熱學、機械、電學、力學、材料、半導體等多學科的研究課題。我國每年智能照明產(chǎn)品的需求超過100萬盞，目前已有“智慧城市”試點193個，通過與數(shù)字、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等新技術的結合，智能化照明緊隨智慧城市的建設而大放異彩。必須采用新思路、新工藝、新材料來改進大功率白光LED的封裝，發(fā)揮出LED光源節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適等優(yōu)越性，才能真正帶來一場照明產(chǎn)業(yè)革命。