LED半導體照明封裝及應用技術的最新進展（1）

1.引言

在LED產業結構中，封裝和應用位於產業鏈中下游，完成將LED產品由晶片(Chip)向管芯(Diode)及器件(Device or Components)轉變並最終實現照明應用產品，是LED產品作為半導體照明光源真正進入市場並取代傳統照明光源的直接環節。

由於發展起始時間相對落後，我國的LED半導體照明在封裝及應用領域產業也受到了高性能輔料等外國專利或產品的制約。相比於上游由於在晶片外研、原材料、生長設備等方面先發技術及核心智慧財產權缺失並受外國技術封鎖，中下游的自主創新及專利申請情況則與國外處於同一起跑線。

由於我國作為傳統照明產品輸出大國以及相關產業集中的先天特點，在LED封裝及應用領域的產業規模處於國際領先水準。據統計，我國LED照明應用產品的產量占全球60 %以上，業已成為LED照明產品的全球製造基地。

但作為LED產業中下游，一方面仍然受上游及材料領域國外核心產品及專利限制，另一方面企業規模偏小，產業集中度低，重複低水準投資建設現象也較為嚴重，市場競爭無序。同時，相關行業標準、檢測和認證體系建設仍待加強，服務支撐體系尚需完善。

作為新型照明技術，半導體照明仍處於不斷發展的上升期，技術水準和指標仍在不斷被刷新。在這樣的大背景下，必須要堅持技術創新，突破國外專利封鎖，加強新技術、新材料、新產品開發，培育具有自主智慧財產權和較強競爭力的核心產品，優化產業結構，建立以市場需求為導向、以行業龍頭企業為骨幹的LED產業，加強產業發展宏觀指導，形成有利於產業發展的政策及配套環境，充分發揮市場配置資源的基礎作用，規範市場競爭行為，實現我國LED照明產品品質達到國際先進水準，真正實現LED半導體照明的美好藍圖。

2.封裝

2.1.概述

LED封裝技術借鑒了分立器件封裝技術，並有很大的特殊性，即除了常規的電氣互連和機械性保護以確保管芯正常工作的同時，更強調光學、熱學方面的設計創新和技術要求。特別是隨著LED晶片技術的日趨成熟，LED功率化、多應用領域的趨勢日趨顯著，對於封裝技術的要求也日趨嚴格。

LED封裝格式從早期小功率外掛程式式(through-hole)封裝，逐漸發展出表貼式器件(surface mounting device，SMD)封裝、功率型(high power)封裝以及多晶片(multi chips on board，MCOB)封裝等格式。根據晶片封裝時的位置也可以分為正裝、倒裝(flip chip)、垂直結構等封裝格式。LED封裝材料涉及支架、基板、螢光粉、矽膠、固晶膠、透鏡、鍵合金線(合金線)、散熱熱沉等。

隨著LED的大功率化，特別是大功率白光應用的需求，LED封裝需要達到的功能更為清晰和明確：1、管芯保護，提高晶片和器件運行的可靠性，增強防靜電衝擊，抗機械震動能力；2、加強散熱，降低晶片結溫，延長晶片、螢光粉壽命；3、光學優化，通過塗敷螢光粉實現光譜，提高出光效率同時優化並實現特定出光分佈；4、電學管理，優化並完成多晶片串並連，甚至實現交直流轉變或電源控制。

2.2.LED封裝是材料學、電學、光學、熱學綜合課題

LED封裝技術是隨著LED管芯技術進步以及半導體照明需求的發展而逐漸演化過來。由於LED屬於利用半導體材料能帶進行電致發光，因而其本質上有別于傳統照明工具，屬於冷光源，並且器件的發光效率隨工作溫度的增加而下降，因此散熱技術或稱為熱管理技術成為LED封裝所要解決的首要問題。

其次，由於LED具有體積小、光通量大的特點，在實際應用中，盡可能高效的利用光能同時避免眩光導致用戶不適，是充分體現半導體照明高效、節能優勢的必要條件，因此光學管理在LED封裝中同樣具有重要意義。

第三，隨著晶片外延技術的提升，LED性能不斷優化，導致封裝器件失效的主要原因已經從晶片本身轉變為由於封裝材料的老化、腐蝕、斷裂等因素，因此對於封裝材料提出了更高要求。最後，隨著半導體照明對大功率、高光通量器件的需求的增加，多晶片封裝、高壓驅動封裝、超高功率封裝等方案不斷出現，而這些新方案對於靜電保護、電氣拓撲等電學性能提出了更高要求。

同樣，上述熱學、光學、電學方面的技術進步必然要求具有更優良熱學性能、光學性能以及電學性能的高性能、新型封裝材料的出現。而作為具體的應用方案，也要求人們提出更好、更優、更具有創新精神的新的封裝格式。可以說LED封裝技術的進步，必須綜合考慮相關領域材料特性、結構性能以及彼此影響，是材料學、電學、光學、熱學的交叉領域研究課題。

2.3.三維封裝和多功能系統集成封裝技術的探索和開發

LED封裝格式直接影響LED器件及下游產品的性能。由於外延襯底及外延技術的特性，LED晶片多採用共面電極方式，而封裝時多採用平面電氣互聯方案，採用鍵合金線引出。為了絕緣等需求，封裝時，電氣層與封裝熱沉之間增加絕緣層或直接採用絕緣陶瓷作為熱沉，封裝器件的散熱受絕緣層的導熱係數限制。特別是正面出光封裝方案，由於外延襯底(如藍寶石)的導熱係數低，散熱性能受到極大限制。

隨著LED晶片的功率密度越來越大，多晶片、大功率封裝需求進一步增加，對LED封裝方案的散熱性能提出了更高要求。高壓驅動、交流驅動等新型技術的出現，也令傳統平面式電氣互聯封裝方案面臨窘境。而越來越廣的應用場合，對LED封裝提出了更多更細的要求，對LED器件的集成度、系統化要求也越來越高，功能化要求日益突出。

借鑒傳統IT行業封裝概念，已有包括倒裝LED、垂直結構LED等封裝方案為行業採用，但應用範圍相對較小。基於倒裝方案，利用金屬焊點進行傳熱，可以有效降低晶片與封裝熱沉之間的熱阻，但其散熱性能受焊點金屬材質、焊點面積等因素影響，其工藝成本也為之增加。而垂直結構的封裝方案，由於剝離了低導熱係數的外延襯底或採用導電材料作為外延襯底，並可以實現大面積金屬共晶焊技術增加導熱通道面積，因此具有最優異的散熱性能，但受限於透明電極材料並且其成本也是最高。

三維封裝技術，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要求。作為三維封裝技術的一種可能，三維列印技術從出現到今天，有了長足進步，並在製造複雜結構零件、藝術創意設計等領域有了應用，其基於塑膠噴射、粉末融合等方案的設備已經有了商業化應用，但從進行工業化大批量生產的角度而言，仍存在許多需要克服的缺點，如多材料複合製備、材料間熱應力平衡控制、製備速度和生產效率等。可以說直接實現基於三維列印的封裝技術，對於LED產業而言仍是較為遙遠的設想。但基於三維列印概念，我們可以探索LED封裝新設計方案以及製備工藝，如新的熱電分離封裝技術、基於分層製造的封裝結構設計等。

作為最為成熟並有望應用於實際工業生產的三維列印技術，基於納米導電材料的三維電極列印技術在實現複雜多層曲面線路製備方面已經在某些電子工業中開始探索並得到應用。相比與傳統電子線路製備方法，基於三維列印的電路製備方案，可以實現零材料損耗、避免光刻腐蝕、減少模版製備等等，從而減少污染、節約成本，更能通過電腦輔助實現設計、修改、製備的快速實現。而利用快速自固化列印材料，可以實現懸空電路，甚至實現傳統鍵合金線相同功能但無法實現且更為複雜、性能更優的立體電路。也可以利用高粘性列印材料在複雜曲面襯底以及垂壁上進行零距離、貼合表面的電路加工製備，克服傳統鍵合金線機械性能缺陷，也彌補傳統光刻製備工藝的難題。

基於三維列印的電路製備技術，尚需要解決許多問題，如：

高性能列印電極材料。探索適用於列印的高性能導電材料，快速可控自固化輔助材料、高附著力輔助材料以及高絕緣性能材料，探索各種材料自身性能、列印控制參數，探索不同材料之間混合後列印材料性能以及包括應力消除在內的控制方法和參數。實現室溫適用、高性能、多適應性列印電極材料以及列印方案，建立健全材料性能資料庫、混合材料性能資料庫。

高精度列印系統。包括高精度定位平移系統、高精度列印噴頭、高精度回饋伺服系統，實現微米級加工精度、快速高效列印速率。

快速襯底探測、建模技術。基於三維列印概念實現複雜襯底表面製備，一般需要事先輸入襯底模型以進行電路設計和列印控制。因此，可以進行快速襯底探測、建模的輔助系統有助於實現更有效的三維列印電路製備，或進行伺服回饋。

多噴頭聯動技術。目前三維列印的重要瓶頸是列印速率導致的生產效率相對較低。基於多噴頭聯動的三維列印技術，是提高三維列印速率特別是大面積產品上生產效率較為理想的解決方案之一。實現多噴頭聯動，需要利用電腦技術對模型進行快速有效的分解和噴頭之間功能劃分，同時，規劃好機械系統的運動伺服動作以及回饋控制。設計並探索合理的並行聯動方案或流水聯動方案，需要在高精度列印系統的基礎上，進一步探索並實現高精度、多噴頭列印技術，並製備列印系統。

從長遠來看，加快針對三維封裝的封裝結構、封裝材料以及系統化集成方案的探索和研究，減少或實現無鍵合金線的封裝方法，採用類似積體電路的封裝概念，有助於實現更優良的器件散熱能力，解決電、熱傳輸矛盾，實現更小封裝尺寸，並有望實現多功能系統級封裝(system in package，SiP)LED，滿足日益複雜的LED應用要求。

2.4.高光效、高顯色指數、長壽命螢光粉開發及其塗覆技術研究

1997年，日本日亞(Nichia)公司首先採用GaN基藍光晶片結合YAG:Ce黃光螢光粉產生二元白光的作為白光照明方案，並申請了專利。該技術路線也成為半導體白光照明的主流技術路線。

2013年2月美國科銳(Cree)公司已經實現了276 lm/W的實驗室晶片效率，其量產瓦級晶片的效率也以達到200 lm/W以上水準，遠遠超過了傳統光源的發光效率。作為不可或缺的部分，高效螢光粉成為實現高效半導體照明的重要保障。

基於釔鋁石榴石(YAG)的螢光粉技術，在紅光部分性能較差，難以滿足低色溫照明需求，其與藍光晶片結合的二元白光技術也難以滿足高顯色指數照明需求。同時其相關核心專利大部分集中在國外公司手中，對我國螢光粉產業的自主化也產生了較強的技術壁壘。

為克服YAG螢光粉的不足，實現更高品質半導體照明方案，新型螢光粉方案、特別是高效紅光螢光粉技術也不斷被開發出來。如基於矽酸鹽的螢光粉，可以實現更寬的激發譜、更豐富的螢光範圍，並可通過改變或調整摻雜元素實現較好的激發效率，也可滿足不同色溫需求，但其發光效率、熱穩定性以及耐濕性等性能也有待進一步提升。

相比之下，氮化物及氮氧化物螢光粉技術因具有獨特的激發光譜特性( 激發範圍紫外至藍光) 以及優異的發光特性( 發射綠光至紅光) ，且耐溫特性和化學穩定性均優於鋁酸鹽黃粉，受到了白光LED 業界的極大關注。雖然日本國家材料研究所最早開始相關研究並取得了較多成果，但其專利池及相關智慧財產權仍有突破空間。氮化物、氮氧化物螢光粉製備需高溫高壓環境，且技術尚待進一步成熟，目前仍無法徹底替代YAG。

基於量子點技術方案，也可以實現較高效率螢光粉方案，並且該技術從原理上可以實現完整的螢光光譜和逐步調節，並有望比傳統螢光粉技術實現更低的成本。但基於量子點的螢光粉技術距離產業化仍有距離，其耐熱性及穩定性仍需進一步提高。

據GG-LED統計，我國2012年螢光粉市場除英特美、日本根本化學等外企公司仍局前兩名並佔據較高市場佔有率外，以有研稀土等為代表的國內螢光粉企業在高性價比螢光粉產品及產能上增長迅速，自主智慧財產權方面也有較大突破。

LED燈具的壽命除了由於電氣失效導致的壽命終結之外，因為螢光粉失效引起光衰而導致的失效也是重要因素。相比與LED本身，螢光粉的耐熱性更差，因此探索更高熱穩定性螢光粉技術，或開發新型螢光粉塗敷技術(如遠端螢光粉，remote phosphor)，是除了開發高效螢光粉之外，同樣重要的研究課題。

遠端螢光粉方案，通過將螢光粉與晶片分離，降低了螢光粉工作環境溫度，極大地提升了螢光粉穩定性，延長了使用壽命，同時令許多新型螢光粉的應用成為可能，並提供了如多層塗敷、分層分色塗敷等新的螢光粉塗敷技術的發揮空間，有望徹底解決LED眩光問題，提升LED光源品質。

實現高效、高品質半導體照明方案特別是低色溫、高顯色指數照明方案，已經成為LED照明應用中亟待解決的關鍵因素，也是LED照明除降低成本之外最迫切的市場需求之一。因此進一步開發高光效黃光螢光粉技術，研究並探索紅光和綠光螢光粉方案，取得自主智慧財產權，打破國外在該領域的專利和市場壟斷地位，同時開發新型低成本製備工藝，改善其螢光粉細微性、形貌及發光性能，滿足大功率、高光效、低光衰、長壽命半導體照明技術發展需要，是我國LED產業需要解決的重要課題。

2.5.新型、高性能、低成本封裝散熱材料開發

影響LED器件散熱的因素包括晶片結構、熱介面材料(thermal interface material，TIM)、散熱基板材料、封裝結構等。要提高LED器件散熱性能，除晶片本身及封裝結構降低器件熱阻，就必須開發具有高熱導率的封裝用散熱材料，同時探索低成本開發及製備工藝。

2.5.1.熱介面材料

LED封裝應用的熱介面材料主要包括導熱膠、導電銀膠、金屬焊膏等。這些材料主要應用與封裝中材料粘接、電路導通或提升器件機械性能。導熱膠通常採用環氧樹脂或有機矽作為主要成分，填充以SiC、AlN、Al2O3、SiO2等無機物以提高熱導率，導熱性能最差。而導電銀膠則通常採用微米或納米銀粉填充入環氧樹脂形成具有導熱、導電及粘結性能的複合材料，但其導熱性能差於共晶焊技術。金屬焊膏則通常應用與絲網印刷和回流工藝，成本低、強度高、導熱和導電性能好，在微電子和光電子器件封裝中具有廣泛應用。

隨著LED功率密度和封裝集成度的提高，需要具有更高熱導效率的新型熱介面材料，以提升散熱能力，確保器件性能。新型複合材料技術如石墨烯、碳納米管、納米銀線進行複合，或利用無機官能團進行修飾的有機矽等有望成為突破LED封裝熱阻限制的新型熱介面材料技術。

對於大功率ＬＥＤ封裝而言，理想的熱介面材料除了具有高熱導率(降低熱阻)外，還要求具有與晶片襯底材料相匹配的熱膨脹係數和彈性模量(降低介面熱應力)，同時還要有機械性能好、使用溫度高、材料和工藝成本低等要求。

2.5.2.導熱基板

LED封裝用導熱基板主要是利用其材料本身具有的高熱導率，將熱量從LED晶片匯出，實現與外界的電互連與熱交換。目前常用的LED封裝基板主要包括印刷電路板(printed circuit board，PCB)、金屬基印刷電路板(metal core printed circuit board，MCPCB)、直接鍵合銅(direct bonded copper，DBC)基板、低溫共燒陶瓷(low temperature co-fired ceramic，LTCC)基板、直接鍍銅(direct plating copper，DPC)基板、陽極氧化鋁(anodic aluminum oxide，AAO)基板、矽基板等。

A) 印刷電路板

PCB技術已經較為成熟，成本較低，但由於PCB主材料熱導率很低，難以滿足大功率LED散熱要求，因此開發具有垂直結構散熱通道的新型PCB技術是令PCB適應大功率應用的必然趨勢。

B)金屬基印刷電路板

又稱絕緣金屬(insulated metal substrate，IMS)基板，是一種由金屬(鋁)板、有機絕緣層和銅箔組成的三明治結構。主要改進集中在採用高導熱、高耐熱材料，如高導熱陶瓷、類金剛石(diamond-like carbon，DLC)塗層等取代有機絕緣層，從而大幅提高了其熱導率和耐熱性。

C)直接鍵合銅基板

直接鍵合銅基板是一種高導熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板(Al2O3或AlN)和導電層(厚度大於0.1 mm的Cu層)在高溫下(1065 ℃)共晶燒結而成，最後根據佈線要求，以刻蝕方式形成線路。由於銅箔具有良好的導電、導熱能力，並具有近似氧化鋁的熱膨脹係數，能在具有導熱性好、絕緣性強的同時，與LED藍寶石(Al2O3單晶)襯底具有非常近似的熱膨脹係數，從而提高封裝可靠性。其不足主要體現在兩個方面：製作複雜成本高、Cu層厚度大電路精度受限。

D)低溫共燒陶瓷基板

LTCC技術須先將氧化鋁粉、玻璃粉與有機粘結劑混合成膏狀漿料，接著利用刮刀將漿料刮成片狀，乾燥後形成片狀生胚，然後根據設計進行通孔，通過絲網印刷工藝填孔並在生胚上印製線路，最後將生胚片堆疊放置，在高溫(850~900 ℃)下燒結成型。由於結構簡單，熱介面少，大大提高了散熱性能。但其主要問題在於內部金屬線路層是利用絲網印刷工藝製成，有可能因張網問題造成對位誤差；此外，多層生胚疊壓燒結後，還會存在收縮比例差異問題。

E)直接鍍銅基板

DPC基板製作首先將陶瓷基板進行前處理清洗，利用真空鍍膜方式在陶瓷基板上濺鍍銅作為種子層，接著以光刻、顯影、刻蝕工藝完成線路製作，最後再以電鍍或蒸鍍方式增加線路厚度，待光刻膠去除後完成基板製作。由於其製備工藝溫度僅需250~300 ℃左右，完全避免了高溫對材料破壞或尺寸變形的影響，具有熱導率高、工藝溫度低、成本低、線路精細、可靠性高等優點，非常適合對準精確要求較高的大功率LED封裝要求。特別是採用鐳射打孔技術後，可實現大功率LED的垂直封裝，降低器件體積，提高封裝集成度。

F)陽極氧化鋁板

由於熱電分離的需要，金屬鋁板難以滿足LED封裝要求。為使其表面絕緣，往往需要通過陽極氧化處理，使其表面形成薄絕緣層。陽極氧化鋁基板製作工藝簡單，成本低，熱導率較高，耐高溫，耐熱衝擊性能好。缺點在於陽極氧化層強度不足，容易因碎裂而導通，使其在實際應用中受限。

G)矽基板

半導體矽材料具有熱導率高、與LED晶片材料熱失配小，加工技術成熟等優點，非常適合作為大功率LED的散熱基板。特別是隨著IT工業系統級封裝和三維封裝技術的發展，採用穿孔矽(through silicon vias，TSV)基板技術封裝LED可大大提高器件的集成度與散熱能力。但作為一種半導體材料，當溫度升高時，矽電阻率降低，在作為基板應用時會受到一定限制。

對於大功率LED封裝應用而言，散熱基板除具備基本的導熱和佈線(電氣互連)功能外，還要求具有一定的絕緣、耐熱、耐壓能力與熱匹配性能。在各類方案中，基於透明陶瓷材料技術，結合相關電氣互聯技術，不僅可以實現散熱效率高、熱膨脹係數匹配、電氣互聯便捷、靜電防護優異等具有高效熱學、電學性能的高性能散熱基板，同時還有望在封裝器件的光學性能上得到突破，實現全空間發光LED封裝器件並極大提升器件的流明效率。如能實現低成本製備，必將極大推動其技術應用範圍。


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