LED半導體照明封裝及應用技術的最新進展（2）

2.6.高性能有機矽、環氧樹脂等封裝材料與相關工藝開發

LED封裝中，通常利用環氧樹脂、有機矽的材料灌裝入裝有LED晶片、電氣線路的封裝器件內，在常溫或加熱的條件下固化成具有高透過率、高折射率、高耐候性、耐紫外輻射的熱固性絕緣材料，強化LED晶片的物理性能，提高抗衝擊、震動能力，同時，提高內部電氣絕緣性能，並改善器件防水、防潮性能。

目前主要的封裝材料包括環氧樹脂、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃、有機矽等高透明材料。其中環氧樹脂和有機矽主要作為封裝材料，並實現一次封裝透鏡作用以改善晶片發光特性；而其餘材料則作為外層透鏡材料使用。

2.6.1.環氧樹脂材料

環氧樹脂具有優異的粘結性、電絕緣性、密封性和介電性能，同時成本較低、配方靈活、易於成型、便於生產。但同時，環氧材料也存在易老化、變色、性脆等問題。因此出於提高光穩定性、改善耐熱性、增加韌性、提高折射率等目的，改性環氧材料應運而生。

如通過加入光穩定劑以提升環氧耐紫外光老化性能；採用耐高溫官能團以提升環氧材料的耐熱性；引入聚醚鏈段或橡膠成分增強環氧韌性；引入硫醚鍵、硫脂鍵、環硫官能團等提升環氧折射率等。基於分子層面的有機/無機特定官能團添加是上述技術的基本策略。

2.6.2.有機矽材料

有機矽的主鏈為矽氧鏈，側基為甲基，整個分子鏈呈螺旋狀，具有許多優異性能，如：良好的耐低溫性能、較高的熱穩定性和耐候性，低表面能和良好的疏水性能，良好聚合體滲透性能等。因此有機矽材料透過率高、溫度適應範圍廣、耐紫外光性強、內應力小、吸濕性低，性能較環氧更為優異，是LED封裝材料的理想選擇。特別是隨著無鉛高溫回流工藝的出現與發展，有機矽封裝材料得到了更多關注。

LED封裝用有機矽材料一般由含活潑氫的矽氧烷單體或聚合物與帶不飽和鍵的有機矽聚合物，在催化劑作用下進行矽氫加成反應製備得到。但有機矽材料的折射率相比與環氧材料要低，且存在耐腐蝕性差、粘結強度低、力學性能差，生產成本也較高。

隨著LED用途多樣化，對有機矽封裝材料提出了更多要求。改性有機矽材料通過選擇具有一定活性鏈節的基礎聚合物或者加入高性能填料來改善有機矽材料性能。如通過選擇含二苯基矽氧鏈節或甲基苯基矽氧連接的乙烯基矽樹脂和含氫矽油來植被喲級矽材料，可獲得較好耐冷熱衝擊性能；通過採用納米無機氧化物溶膠與有機矽聚合體系複合，形成分子層面無相分離的奈米無機氧化物改性有機矽材料，可以提高折射率和耐紫外輻射性能。

2.7.LED 封裝及集成系統的加速測試技術

開發LED 封裝及集成系統的加速測試技術，有助於實現即時、快速、線上的封裝檢測方法及產品檢驗方法，驗證封裝技術效果同時提升產品良品率，有助於降低產品成本、提升LED產品性價比。

2.8.小結

LED封裝技術應圍繞更高性能的新型三維封裝結構設計，圍繞螢光粉、導熱膠、散熱基板、封裝樹脂以及其他關鍵封裝材料的開發，著重解決器件光衰及穩定性問題，積極開拓新的封裝設計思路，突破傳統封裝瓶頸，保持半導體照明高光效優勢的同時，滿足高品質照明需求，開發出高性價比的LED封裝產品。

3.應用

3.1.概述

LED技術發展到今天，已經室內照明、戶外照明、商業照明、交通指示、建築外景裝飾等照明領域到了廣泛應用，在背光源以及戶外顯示等方面更是顯示了優異性能並佔據了統治地位。針對影視舞臺/劇場等演藝場所、航空/航太/極地等特殊環境以及汽車、礦山、船舶等特定照明需求，半導體照明也顯示了強大的應用潛力。

此外，由於LED光譜的特殊性，在醫學治療、植物培育、畜牧及水產品養殖等生物應用方面也開展了大量的應用研究。而由於LED光源的高頻回應特性，基於半導體照明的可見光載波通信技術也開始受人關注。可以說隨著半導體照明技術的愈發成熟，其應用領域也日益廣泛和細緻，除了產品壽命、穩定性及成本之外，考慮照明系統的功能性、系統集成性、環境適應性以及光源照明品質等更多要求也隨之提出。

半導體照明在應用中，除LED光源之外，還涉及到驅動電源、散熱系統、光學系統、控制系統、產品外觀等諸多因素。特別是LED與傳統光源在發光機理及發光特性上的不同，使得如何充分利用LED光源優勢、保證產品品質、同時滿足人們傳統審美觀點使得半導體照明應用成為一門集電學、光學、熱學、材料學以及美學等諸多學科在內的綜合課題。

3.2.高效、低成本、高可靠性驅動電源技術

LED的發光原理是基於半導體能帶複合電致發光，屬於直流低壓電流器件。因此，在半導體照明應用中，需要首先解決驅動電源問題。隨著LED晶片及封裝技術的發展，LED的發光效率不斷突破，耐電流衝擊能力不斷提高，抗靜電防護能力也得到了加強；另一方面新散熱材料的應用和新散熱技術的發展，有效控制了LED晶片溫升和光衰問題。在這樣情況下，LED驅動電源特別是大功率驅動電源成為影響LED燈具壽命的主要因素，並且成為僅次於LED晶片的燈具成本構成。

高效、低成本、高可靠的LED 驅動電源開發將會成為未來半導體照明驅動電源技術的核心基石。在此基礎上，探索驅動電源產品的模組化、標準化，開發具有高集成度、高智慧化電源及控制技術，有助於進一步提升LED驅動電源品質。無電解LED驅動電源、小功率低成本驅動晶片、交流直接驅動LED電源、全固態大容量電容以及基於使用者需求的智慧電源技術有望成為未來LED驅動電源技術的突破口。

3.3.新型、高效燈具熱管理技術

LED燈具熱管理的核心思想是將LED器件及驅動電源在工作時的產生地熱量儘快匯出並散發至環境中。開發具有高熱導率的散熱材料如新型塑膠、陶瓷、石墨、金屬、導熱膠、散熱塗層等燈具輔材，開發並設計具有高效散熱能力的新型燈具結構是降低LED燈具熱阻的關鍵因素。

除開發高性能散熱材料、提升材料散熱性能外，LED燈具散熱技術還可以根據與外接換熱方式分為被動散熱和主動散熱。被動散熱方式主要有自然對流散熱和熱管技術散熱兩種。自然對流散熱是指在LED 燈具上加裝各種散熱片借助自然對流進行冷卻的一種基本散熱方式。其優點是成本低、運行可靠，也是應用最為廣泛的LED燈具散熱方式，但較難滿足大功率密度LED燈具的散熱需求。

而借助熱管對LED 裝置進行冷卻越來越受到人們的關注，成為大功率LED 照明光源散熱技術的熱點。熱管又分為平板熱管、回路熱管、翅片式熱管、微型熱管等多種形式，其導熱能力可達普通金屬的1000倍以上。但成本可能成為制約熱管技術應用的重要因素。

LED照明的主動散熱是指消耗一定量的電能，採用風扇、泵等驅動散熱介質受迫流過LED 照明設備或採用半導體製冷等方法對LED光源進行冷卻的技術，並將熱量帶至散熱模組進行外界熱交換。相比被動散熱，主動冷卻技術具有冷卻強度高、冷卻效果好的優點，特別適用于高功率密度或超大型LED 照明裝置的冷卻。但其成本及散熱系統的壽命是制約其應用的主要因素。

基於室內、室外等不同照明環境以及特定照明用途導致的在燈具功率、體積、材質等諸多方面的制約，LED照明燈具的熱管理需要因地因需制宜進行專業設計，並綜合材料創新、結構創新進行優化設計。此外，照明功能模組化並結合智慧控制技術，也可以幫助LED燈具在散熱性能上進行一定優化。

3.4.面向擴展光源的高效二次配光技術

LED晶片面積小、光通量大、半空間出光的發光特性使得採用LED晶片直接進行照明應用存在光能利用不合理的問題，降低了LED燈具的能量利用效率。

因而，在晶片基礎上進行燈具的二次配光成為改善LED光源光學性能、提高能量利用率的常規方案，特別是基於點光源(point source)非成像光學(non-image optics)配光設計的自由曲面二次配光方案已經在點陣式LED燈具中得到了廣泛應用，並出現了很多成熟的技術方案和豐富的應用實例。儘管仍存在諸如二次配光元件缺乏對LED晶片的通配性、配光區域邊緣色差等問題，但二次配光技術已在事實上成為LED燈具照明品質的重要保障。

隨著LED晶片的大功率、高光通量的發展趨勢，LED晶片的集成度越來越高，面積也越來越大，二次配光尚缺乏面向具有上述特徵、擴展光源(extend source)型LED晶片的高效光學系統設計方案。另一方面，醫學內窺鏡、微型投影儀等應用領域，光學系統的尺寸受到極大限制，基於點光源方案的二次配光方案也難以滿足，同樣需要有更高效的光學系統設計方案出現。

此外，隨著半導體照明領域的日益廣泛以及具體應用需求的細分化，如汽車前照燈、超遠距離LED探照燈、醫用內窺鏡LED光源、高效LED面光源等特定用途LED照明燈具的出現，也對LED光源及燈具的配光技術提出了更多更細的要求。

3.5.應用新需求

LED照明燈具的應用領域愈發廣泛，功能化、系統化、智慧化的趨勢也愈發明顯，這對LED燈具除電、光、熱等方面的性能之外，提出了更多新要求。如在室外照明應用中的防水、防塵、防電壓衝擊、防紫外老化、防腐蝕等性能；在航海船舶等環境的防震、防鹽霧等性能；面向環境適應性及用戶適應性的智慧化感知器件集成性能；具有前瞻性、通用性、低成本高可靠性的可見光載波通信性能；色溫即時、動態控制性能等。而面向現代農業、養殖、醫療、文物保護、微投影與微顯示等特種照明應用需求以及極端惡劣環境照明應用的LED燈具也將已經成為半導體照明應用的重要組成部分。

在高品質燈具的基礎上，隨著半導體照明工程的推廣，作為可以實現即時調控的LED光源，其集群照明或系統照明優化及智慧控制技術也被提到行業技術需求的日程表上來。如集群應用技術與可變色溫的模組化LED 照明系統；自我調整照明強度自動配置技術；節能管理與維護管理系統集成技術研究；照明系統網路拓撲及網路性能優化技術；智慧化照明控制系統的控制協定與標準；基於物聯網、互聯網或雲技術，實現照明系統管理等等都是進一步發揮LED光源特點，展現半導體照明節能、高照明品質優勢的重要手段，也是進一步推動半導體照明應用、優化半導體照明工程節能需求的重要技術保障。

基於三基色LED的主動顯示技術也是LED重要應用領域，並在戶外照明、舞臺背景等大螢幕顯示市場佔據了統治地位。基於現有LED顯示技術，開發更低功耗、更高產品穩定性、更高解析度的LED顯示產品，需要在LED晶片、管芯封裝、顯示驅動、散熱模組、顯示一致性以及單圖元點維護等諸多方面進一步開發適合LED顯示特性的技術及產品方案。採用藍光激發三基色的螢光粉技術，也有望給LED顯示技術帶來新的可能。

除此之外，基於高功率半導體照明產品光輻射安全研究、半導體照明光源及燈具耐候性和可靠性研究、半導體照明燈具線上檢測方法及設備研究、加速檢測設備及檢測標準研究、半導體照明產品和照明系統檢測技術和設備的研究及開發；照明控制設備的檢測技術研究與設備開發、具有公信力的協力廠商半導體照明產品檢測與品質認證平臺建設等內容也成為半導體照明在應用領域需要迫切解決的問題。

3.6.小結

隨著半導體照明廣泛應用，開發高效、低成本、替代型半導體照明光源技術，發揮LED高品質光源、多功能相容優點，積極開發針對現代照明的調光控制和驅動技術，將成為 LED光源應用的重要研究課題。針對不同應用場合，開發具有明確功能化需求的LED照明燈具，需要結合光、電、熱、機械、材料以及結構等諸多技術創新，是一個複雜的系統工程。遠端螢光粉、大功率MCOB集成晶片等新技術的成熟和發展也會對LED燈具應用技術提出更多新的挑戰。

4.展望

我國LED照明應用行業在積極發展增強自身經濟實力，完善行業標準、規範行業行為的同時，必須更加注重和加強針對技術創新的投入以及相應智慧財產權的保護。只有提高技術創新能力，才能提升LED照明產品品質，實現高品質、高效能、高可靠性、長壽命半導體照明，從而進一步提高LED照明產品性價比、增強市場競爭力，使得包括採用能源管理合同(energy management contract, EMC)模式在內的半導體照明工程的得以真正、更為廣泛的實施和應用。

需要提到的是，除了基於GaN基藍光LED的半導體照明技術外，有機半導體照明光源(OLED)技術，在柔性、可彎曲以及大面積製備方面具有較多優勢，在特定應用場合具有充分潛力。但OLED技術仍未達到可以大規模進入市場的程度，仍需進一步提高其發光效率、延長器件壽命並降低器件成本，其產業也未具規模。

此外，LED器件具有低壓直流工作的特性，因此與包括太陽能光伏在內的新型清潔能源結合具有天然優勢。事實上，太陽能LED燈具在路燈、草坪燈、野營探險燈具等室外照明產品中已經有了廣泛應用，其技術瓶頸也多集中在非LED產品及技術上，如進一步提升光伏板效率、延長儲能系統壽命、降低光伏及儲能元件重量等。

但作為較其他傳統光源更具有優勢的應用場合，太陽能LED燈具在未來室外照明應用以及應急照明應用中將會有獨特不可替代的作用。積極開發此類LED燈具，完善技術方案，甚至開發太陽能光伏與LED集成的晶片或封裝技術，有助於豐富LED產品類型，拓展半導體照明應用領域。

半導體照明技術發展到今天，已經為世人展示了一個廣闊應用空間，在諸多領域已經形成了不可替代的重要地位。相比于其他傳統光源，半導體照明光源在流明效率、器件壽命、節能環保等方面的優勢無與倫比，在應用領域、燈具設計及藝術造型方面也給予我們充分的想像空間和足夠的發揮舞臺。而最為關鍵的是，其技術仍未到達瓶頸，並有足夠的發展和進步潛力。相信隨著LED晶片技術、封裝技術以及應用技術的日益提升，半導體照明普及的明天必將到來！-上海科銳光電發展有限公司邵嘉平


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