LED半导体照明封装及应用技术的最新进展（1）

1.引言

在LED产业结构中，封装和应用位于产业链中下游，完成将LED产品由芯片(Chip)向管芯(Diode)及器件(Device or Components)转变并最终实现照明应用产品，是LED产品作为半导体照明光源真正进入市场并取代传统照明光源的直接环节。

由于发展起始时间相对落后，我国的LED半导体照明在封装及应用领域产业也受到了高性能辅料等外国专利或产品的制约。相比于上游由于在芯片外研、原材料、生长设备等方面先发技术及核心知识产权缺失并受外国技术封锁，中下游的自主创新及专利申请情况则与国外处于同一起跑线。

由于我国作为传统照明产品输出大国以及相关产业集中的先天特点，在LED封装及应用领域的产业规模处于国际领先水平。据统计，我国LED照明应用产品的产量占全球60 %以上，业已成为LED照明产品的全球制造基地。

但作为LED产业中下游，一方面仍然受上游及材料领域国外核心产品及专利限制，另一方面企业规模偏小，产业集中度低，重复低水平投资建设现象也较为严重，市场竞争无序。同时，相关行业标准、检测和认证体系建设仍待加强，服务支撑体系尚需完善。

作为新型照明技术，半导体照明仍处于不断发展的上升期，技术水平和指标仍在不断被刷新。在这样的大背景下，必须要坚持技术创新，突破国外专利封锁，加强新技术、新材料、新产品开发，培育具有自主知识产权和较强竞争力的核心产品，优化产业结构，建立以市场需求为导向、以行业龙头企业为骨干的LED产业，加强产业发展宏观指导，形成有利于产业发展的政策及配套环境，充分发挥市场配置资源的基础作用，规范市场竞争行为，实现我国LED照明产品质量达到国际先进水平，真正实现LED半导体照明的美好蓝图。

2.封装

2.1.概述

LED封装技术借鉴了分立器件封装技术，并有很大的特殊性，即除了常规的电气互连和机械性保护以确保管芯正常工作的同时，更强调光学、热学方面的设计创新和技术要求。特别是随着LED芯片技术的日趋成熟，LED功率化、多应用领域的趋势日趋显著，对于封装技术的要求也日趋严格。

LED封装格式从早期小功率插件式(through-hole)封装，逐渐发展出表贴式器件(surface mounting device，SMD)封装、功率型(high power)封装以及多芯片(multi chips on board，MCOB)封装等格式。根据芯片封装时的位置也可以分为正装、倒装(flip chip)、垂直结构等封装格式。LED封装材料涉及支架、基板、荧光粉、硅胶、固晶胶、透镜、键合金线(合金线)、散热热沉等。

随着LED的大功率化，特别是大功率白光应用的需求，LED封装需要达到的功能更为清晰和明确：1、管芯保护，提高芯片和器件运行的可靠性，增强防静电冲击，抗机械震动能力；2、加强散热，降低芯片结温，延长芯片、荧光粉寿命；3、光学优化，通过涂敷荧光粉实现光谱，提高出光效率同时优化并实现特定出光分布；4、电学管理，优化并完成多芯片串并连，甚至实现交直流转变或电源控制。

2.2.LED封装是材料学、电学、光学、热学综合课题

LED封装技术是随着LED管芯技术进步以及半导体照明需求的发展而逐渐演化过来。由于LED属于利用半导体材料能带进行电致发光，因而其本质上有别于传统照明工具，属于冷光源，并且器件的发光效率随工作温度的增加而下降，因此散热技术或称为热管理技术成为LED封装所要解决的首要问题。

其次，由于LED具有体积小、光通量大的特点，在实际应用中，尽可能高效的利用光能同时避免眩光导致用户不适，是充分体现半导体照明高效、节能优势的必要条件，因此光学管理在LED封装中同样具有重要意义。

第三，随着芯片外延技术的提升，LED性能不断优化，导致封装器件失效的主要原因已经从芯片本身转变为由于封装材料的老化、腐蚀、断裂等因素，因此对于封装材料提出了更高要求。最后，随着半导体照明对大功率、高光通量器件的需求的增加，多芯片封装、高压驱动封装、超高功率封装等方案不断出现，而这些新方案对于静电保护、电气拓扑等电学性能提出了更高要求。

同样，上述热学、光学、电学方面的技术进步必然要求具有更优良热学性能、光学性能以及电学性能的高性能、新型封装材料的出现。而作为具体的应用方案，也要求人们提出更好、更优、更具有创新精神的新的封装格式。可以说LED封装技术的进步，必须综合考虑相关领域材料特性、结构性能以及彼此影响，是材料学、电学、光学、热学的交叉领域研究课题。

2.3.三维封装和多功能系统集成封装技术的探索和开发

LED封装格式直接影响LED器件及下游产品的性能。由于外延衬底及外延技术的特性，LED芯片多采用共面电极方式，而封装时多采用平面电气互联方案，采用键合金线引出。为了绝缘等需求，封装时，电气层与封装热沉之间增加绝缘层或直接采用绝缘陶瓷作为热沉，封装器件的散热受绝缘层的导热系数限制。特别是正面出光封装方案，由于外延衬底(如蓝宝石)的导热系数低，散热性能受到极大限制。

随着LED芯片的功率密度越来越大，多芯片、大功率封装需求进一步增加，对LED封装方案的散热性能提出了更高要求。高压驱动、交流驱动等新型技术的出现，也令传统平面式电气互联封装方案面临窘境。而越来越广的应用场合，对LED封装提出了更多更细的要求，对LED器件的集成度、系统化要求也越来越高，功能化要求日益突出。

借鉴传统IT行业封装概念，已有包括倒装LED、垂直结构LED等封装方案为行业采用，但应用范围相对较小。基于倒装方案，利用金属焊点进行传热，可以有效降低芯片与封装热沉之间的热阻，但其散热性能受焊点金属材质、焊点面积等因素影响，其工艺成本也为之增加。而垂直结构的封装方案，由于剥离了低导热系数的外延衬底或采用导电材料作为外延衬底，并可以实现大面积金属共晶焊技术增加导热通道面积，因此具有最优异的散热性能，但受限于透明电极材料并且其成本也是最高。

三维封装技术，对设计思路和理念、材料特性以及封装技术本身提出更多创新性要求。作为三维封装技术的一种可能，三维打印技术从出现到今天，有了长足进步，并在制造复杂结构零件、艺术创意设计等领域有了应用，其基于塑料喷射、粉末融合等方案的设备已经有了商业化应用，但从进行工业化大批量生产的角度而言，仍存在许多需要克服的缺点，如多材料复合制备、材料间热应力平衡控制、制备速度和生产效率等。可以说直接实现基于三维打印的封装技术，对于LED产业而言仍是较为遥远的设想。但基于三维打印概念，我们可以探索LED封装新设计方案以及制备工艺，如新的热电分离封装技术、基于分层制造的封装结构设计等。

作为最为成熟并有望应用于实际工业生产的三维打印技术，基于纳米导电材料的三维电极打印技术在实现复杂多层曲面线路制备方面已经在某些电子工业中开始探索并得到应用。相比与传统电子线路制备方法，基于三维打印的电路制备方案，可以实现零材料损耗、避免光刻腐蚀、减少模版制备等等，从而减少污染、节约成本，更能通过计算机辅助实现设计、修改、制备的快速实现。而利用快速自固化打印材料，可以实现悬空电路，甚至实现传统键合金线相同功能但无法实现且更为复杂、性能更优的立体电路。也可以利用高粘性打印材料在复杂曲面衬底以及垂壁上进行零距离、贴合表面的电路加工制备，克服传统键合金线机械性能缺陷，也弥补传统光刻制备工艺的难题。

基于三维打印的电路制备技术，尚需要解决许多问题，如：

高性能打印电极材料。探索适用于打印的高性能导电材料，快速可控自固化辅助材料、高附着力辅助材料以及高绝缘性能材料，探索各种材料自身性能、打印控制参数，探索不同材料之间混合后打印材料性能以及包括应力消除在内的控制方法和参数。实现室温适用、高性能、多适应性打印电极材料以及打印方案，建立健全材料性能数据库、混合材料性能数据库。

高精度打印系统。包括高精度定位平移系统、高精度打印喷头、高精度反馈伺服系统，实现微米级加工精度、快速高效打印速率。

快速衬底探测、建模技术。基于三维打印概念实现复杂衬底表面制备，一般需要事先输入衬底模型以进行电路设计和打印控制。因此，可以进行快速衬底探测、建模的辅助系统有助于实现更有效的三维打印电路制备，或进行伺服反馈。

多喷头联动技术。目前三维打印的重要瓶颈是打印速率导致的生产效率相对较低。基于多喷头联动的三维打印技术，是提高三维打印速率特别是大面积产品上生产效率较为理想的解决方案之一。实现多喷头联动，需要利用计算机技术对模型进行快速有效的分解和喷头之间功能划分，同时，规划好机械系统的运动伺服动作以及反馈控制。设计并探索合理的并行联动方案或流水联动方案，需要在高精度打印系统的基础上，进一步探索并实现高精度、多喷头打印技术，并制备打印系统。

从长远来看，加快针对三维封装的封装结构、封装材料以及系统化集成方案的探索和研究，减少或实现无键合金线的封装方法，采用类似集成电路的封装概念，有助于实现更优良的器件散热能力，解决电、热传输矛盾，实现更小封装尺寸，并有望实现多功能系统级封装(system in package，SiP)LED，满足日益复杂的LED应用要求。

2.4.高光效、高显色指数、长寿命荧光粉开发及其涂覆技术研究

1997年，日本日亚(Nichia)公司首先采用GaN基蓝光芯片结合YAG:Ce黄光荧光粉产生二元白光的作为白光照明方案，并申请了专利。该技术路线也成为半导体白光照明的主流技术路线。

2013年2月美国科锐(Cree)公司已经实现了276 lm/W的实验室芯片效率，其量产瓦级芯片的效率也以达到200 lm/W以上水平，远远超过了传统光源的发光效率。作为不可或缺的部分，高效荧光粉成为实现高效半导体照明的重要保障。

基于钇铝石榴石(YAG)的荧光粉技术，在红光部分性能较差，难以满足低色温照明需求，其与蓝光芯片结合的二元白光技术也难以满足高显色指数照明需求。同时其相关核心专利大部分集中在国外公司手中，对我国荧光粉产业的自主化也产生了较强的技术壁垒。

为克服YAG荧光粉的不足，实现更高品质半导体照明方案，新型荧光粉方案、特别是高效红光荧光粉技术也不断被开发出来。如基于硅酸盐的荧光粉，可以实现更宽的激发谱、更丰富的荧光范围，并可通过改变或调整掺杂元素实现较好的激发效率，也可满足不同色温需求，但其发光效率、热稳定性以及耐湿性等性能也有待进一步提升。

相比之下，氮化物及氮氧化物荧光粉技术因具有独特的激发光谱特性( 激发范围紫外至蓝光) 以及优异的发光特性( 发射绿光至红光) ，且耐温特性和化学稳定性均优于铝酸盐黄粉，受到了白光LED 业界的极大关注。虽然日本国家材料研究所最早开始相关研究并取得了较多成果，但其专利池及相关知识产权仍有突破空间。氮化物、氮氧化物荧光粉制备需高温高压环境，且技术尚待进一步成熟，目前仍无法彻底替代YAG。

基于量子点技术方案，也可以实现较高效率荧光粉方案，并且该技术从原理上可以实现完整的荧光光谱和逐步调节，并有望比传统荧光粉技术实现更低的成本。但基于量子点的荧光粉技术距离产业化仍有距离，其耐热性及稳定性仍需进一步提高。

据GG-LED统计，我国2012年荧光粉市场除英特美、日本根本化学等外企公司仍局前两名并占据较高市场占有率外，以有研稀土等为代表的国内荧光粉企业在高性价比荧光粉产品及产能上增长迅速，自主知识产权方面也有较大突破。

LED灯具的寿命除了由于电气失效导致的寿命终结之外，因为荧光粉失效引起光衰而导致的失效也是重要因素。相比与LED本身，荧光粉的耐热性更差，因此探索更高热稳定性荧光粉技术，或开发新型荧光粉涂敷技术(如远程荧光粉，remote phosphor)，是除了开发高效荧光粉之外，同样重要的研究课题。

远程荧光粉方案，通过将荧光粉与芯片分离，降低了荧光粉工作环境温度，极大地提升了荧光粉稳定性，延长了使用寿命，同时令许多新型荧光粉的应用成为可能，并提供了如多层涂敷、分层分色涂敷等新的荧光粉涂敷技术的发挥空间，有望彻底解决LED眩光问题，提升LED光源品质。

实现高效、高质量半导体照明方案特别是低色温、高显色指数照明方案，已经成为LED照明应用中亟待解决的关键因素，也是LED照明除降低成本之外最迫切的市场需求之一。因此进一步开发高光效黄光荧光粉技术，研究并探索红光和绿光荧光粉方案，取得自主知识产权，打破国外在该领域的专利和市场垄断地位，同时开发新型低成本制备工艺，改善其荧光粉粒度、形貌及发光性能，满足大功率、高光效、低光衰、长寿命半导体照明技术发展需要，是我国LED产业需要解决的重要课题。

2.5.新型、高性能、低成本封装散热材料开发

影响LED器件散热的因素包括芯片结构、热界面材料(thermal interface material，TIM)、散热基板材料、封装结构等。要提高LED器件散热性能，除芯片本身及封装结构降低器件热阻，就必须开发具有高热导率的封装用散热材料，同时探索低成本开发及制备工艺。

2.5.1.热界面材料

LED封装应用的热界面材料主要包括导热胶、导电银胶、金属焊膏等。这些材料主要应用与封装中材料粘接、电路导通或提升器件机械性能。导热胶通常采用环氧树脂或有机硅作为主要成分，填充以SiC、AlN、Al2O3、SiO2等无机物以提高热导率，导热性能最差。而导电银胶则通常采用微米或纳米银粉填充入环氧树脂形成具有导热、导电及粘结性能的复合材料，但其导热性能差于共晶焊技术。金属焊膏则通常应用与丝网印刷和回流工艺，成本低、强度高、导热和导电性能好，在微电子和光电子器件封装中具有广泛应用。

随着LED功率密度和封装集成度的提高，需要具有更高热导效率的新型热界面材料，以提升散热能力，确保器件性能。新型复合材料技术如石墨烯、碳纳米管、纳米银线进行复合，或利用无机官能团进行修饰的有机硅等有望成为突破LED封装热阻限制的新型热界面材料技术。

对于大功率ＬＥＤ封装而言，理想的热界面材料除了具有高热导率(降低热阻)外，还要求具有与芯片衬底材料相匹配的热膨胀系数和弹性模量(降低界面热应力)，同时还要有机械性能好、使用温度高、材料和工艺成本低等要求。

2.5.2.导热基板

LED封装用导热基板主要是利用其材料本身具有的高热导率，将热量从LED芯片导出，实现与外界的电互连与热交换。目前常用的LED封装基板主要包括印刷电路板(printed circuit board，PCB)、金属基印刷电路板(metal core printed circuit board，MCPCB)、直接键合铜(direct bonded copper，DBC)基板、低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramic，LTCC)基板、直接镀铜(direct plating copper，DPC)基板、阳极氧化铝(anodic aluminum oxide，AAO)基板、硅基板等。

A) 印刷电路板

PCB技术已经较为成熟，成本较低，但由于PCB主材料热导率很低，难以满足大功率LED散热要求，因此开发具有垂直结构散热通道的新型PCB技术是令PCB适应大功率应用的必然趋势。

B)金属基印刷电路板

又称绝缘金属(insulated metal substrate，IMS)基板，是一种由金属(铝)板、有机绝缘层和铜箔组成的三明治结构。主要改进集中在采用高导热、高耐热材料，如高导热陶瓷、类金刚石(diamond-like carbon，DLC)涂层等取代有机绝缘层，从而大幅提高了其热导率和耐热性。

C)直接键合铜基板

直接键合铜基板是一种高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板(Al2O3或AlN)和导电层(厚度大于0.1 mm的Cu层)在高温下(1065 ℃)共晶烧结而成，最后根据布线要求，以刻蚀方式形成线路。由于铜箔具有良好的导电、导热能力，并具有近似氧化铝的热膨胀系数，能在具有导热性好、绝缘性强的同时，与LED蓝宝石(Al2O3单晶)衬底具有非常近似的热膨胀系数，从而提高封装可靠性。其不足主要体现在两个方面：制作复杂成本高、Cu层厚度大电路精度受限。

D)低温共烧陶瓷基板

LTCC技术须先将氧化铝粉、玻璃粉与有机粘结剂混合成膏状浆料，接着利用刮刀将浆料刮成片状，干燥后形成片状生胚，然后根据设计进行通孔，通过丝网印刷工艺填孔并在生胚上印制线路，最后将生胚片堆叠放置，在高温(850~900 ℃)下烧结成型。由于结构简单，热界面少，大大提高了散热性能。但其主要问题在于内部金属线路层是利用丝网印刷工艺制成，有可能因张网问题造成对位误差；此外，多层生胚叠压烧结后，还会存在收缩比例差异问题。

E)直接镀铜基板

DPC基板制作首先将陶瓷基板进行前处理清洗，利用真空镀膜方式在陶瓷基板上溅镀铜作为种子层，接着以光刻、显影、刻蚀工艺完成线路制作，最后再以电镀或蒸镀方式增加线路厚度，待光刻胶去除后完成基板制作。由于其制备工艺温度仅需250~300 ℃左右，完全避免了高温对材料破坏或尺寸变形的影响，具有热导率高、工艺温度低、成本低、线路精细、可靠性高等优点，非常适合对准精确要求较高的大功率LED封装要求。特别是采用激光打孔技术后，可实现大功率LED的垂直封装，降低器件体积，提高封装集成度。

F)阳极氧化铝板

由于热电分离的需要，金属铝板难以满足LED封装要求。为使其表面绝缘，往往需要通过阳极氧化处理，使其表面形成薄绝缘层。阳极氧化铝基板制作工艺简单，成本低，热导率较高，耐高温，耐热冲击性能好。缺点在于阳极氧化层强度不足，容易因碎裂而导通，使其在实际应用中受限。

G)硅基板

半导体硅材料具有热导率高、与LED芯片材料热失配小，加工技术成熟等优点，非常适合作为大功率LED的散热基板。特别是随着IT工业系统级封装和三维封装技术的发展，采用穿孔硅(through silicon vias，TSV)基板技术封装LED可大大提高器件的集成度与散热能力。但作为一种半导体材料，当温度升高时，硅电阻率降低，在作为基板应用时会受到一定限制。

对于大功率LED封装应用而言，散热基板除具备基本的导热和布线(电气互连)功能外，还要求具有一定的绝缘、耐热、耐压能力与热匹配性能。在各类方案中，基于透明陶瓷材料技术，结合相关电气互联技术，不仅可以实现散热效率高、热膨胀系数匹配、电气互联便捷、静电防护优异等具有高效热学、电学性能的高性能散热基板，同时还有望在封装器件的光学性能上得到突破，实现全空间发光LED封装器件并极大提升器件的流明效率。如能实现低成本制备，必将极大推动其技术应用范围。


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