LED半导体照明封装及应用技术的最新进展（2）

2.6.高性能有机硅、环氧树脂等封装材料与相关工艺开发

LED封装中，通常利用环氧树脂、有机硅的材料灌装入装有LED芯片、电气线路的封装器件内，在常温或加热的条件下固化成具有高透过率、高折射率、高耐候性、耐紫外辐射的热固性绝缘材料，强化LED芯片的物理性能，提高抗冲击、震动能力，同时，提高内部电气绝缘性能，并改善器件防水、防潮性能。

目前主要的封装材料包括环氧树脂、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃、有机硅等高透明材料。其中环氧树脂和有机硅主要作为封装材料，并实现一次封装透镜作用以改善芯片发光特性；而其余材料则作为外层透镜材料使用。

2.6.1.环氧树脂材料

环氧树脂具有优异的粘结性、电绝缘性、密封性和介电性能，同时成本较低、配方灵活、易于成型、便于生产。但同时，环氧材料也存在易老化、变色、性脆等问题。因此出于提高光稳定性、改善耐热性、增加韧性、提高折射率等目的，改性环氧材料应运而生。

如通过加入光稳定剂以提升环氧耐紫外光老化性能；采用耐高温官能团以提升环氧材料的耐热性；引入聚醚链段或橡胶成分增强环氧韧性；引入硫醚键、硫脂键、环硫官能团等提升环氧折射率等。基于分子层面的有机/无机特定官能团添加是上述技术的基本策略。

2.6.2.有机硅材料

有机硅的主链为硅氧链，侧基为甲基，整个分子链呈螺旋状，具有许多优异性能，如：良好的耐低温性能、较高的热稳定性和耐候性，低表面能和良好的疏水性能，良好聚合体渗透性能等。因此有机硅材料透过率高、温度适应范围广、耐紫外光性强、内应力小、吸湿性低，性能较环氧更为优异，是LED封装材料的理想选择。特别是随着无铅高温回流工艺的出现与发展，有机硅封装材料得到了更多关注。

LED封装用有机硅材料一般由含活泼氢的硅氧烷单体或聚合物与带不饱和键的有机硅聚合物，在催化剂作用下进行硅氢加成反应制备得到。但有机硅材料的折射率相比与环氧材料要低，且存在耐腐蚀性差、粘结强度低、力学性能差，生产成本也较高。

随着LED用途多样化，对有机硅封装材料提出了更多要求。改性有机硅材料通过选择具有一定活性链节的基础聚合物或者加入高性能填料来改善有机硅材料性能。如通过选择含二苯基硅氧链节或甲基苯基硅氧连接的乙烯基硅树脂和含氢硅油来植被哟级硅材料，可获得较好耐冷热冲击性能；通过采用纳米无机氧化物溶胶与有机硅聚合体系复合，形成分子层面无相分离的奈米无机氧化物改性有机硅材料，可以提高折射率和耐紫外辐射性能。

2.7.LED 封装及集成系统的加速测试技术

开发LED 封装及集成系统的加速测试技术，有助于实现实时、快速、在线的封装检测方法及产品检验方法，验证封装技术效果同时提升产品良品率，有助于降低产品成本、提升LED产品性价比。

2.8.小结

LED封装技术应围绕更高性能的新型三维封装结构设计，围绕荧光粉、导热胶、散热基板、封装树脂以及其他关键封装材料的开发，着重解决器件光衰及稳定性问题，积极开拓新的封装设计思路，突破传统封装瓶颈，保持半导体照明高光效优势的同时，满足高品质照明需求，开发出高性价比的LED封装产品。

3.应用

3.1.概述

LED技术发展到今天，已经室内照明、户外照明、商业照明、交通指示、建筑外景装饰等照明领域到了广泛应用，在背光源以及户外显示等方面更是显示了优异性能并占据了统治地位。针对影视舞台/剧场等演艺场所、航空/航天/极地等特殊环境以及汽车、矿山、船舶等特定照明需求，半导体照明也显示了强大的应用潜力。

此外，由于LED光谱的特殊性，在医学治疗、植物培育、畜牧及水产品养殖等生物应用方面也开展了大量的应用研究。而由于LED光源的高频响应特性，基于半导体照明的可见光载波通信技术也开始受人关注。可以说随着半导体照明技术的愈发成熟，其应用领域也日益广泛和细致，除了产品寿命、稳定性及成本之外，考虑照明系统的功能性、系统集成性、环境适应性以及光源照明质量等更多要求也随之提出。

半导体照明在应用中，除LED光源之外，还涉及到驱动电源、散热系统、光学系统、控制系统、产品外观等诸多因素。特别是LED与传统光源在发光机理及发光特性上的不同，使得如何充分利用LED光源优势、保证产品品质、同时满足人们传统审美观点使得半导体照明应用成为一门集电学、光学、热学、材料学以及美学等诸多学科在内的综合课题。

3.2.高效、低成本、高可靠性驱动电源技术

LED的发光原理是基于半导体能带复合电致发光，属于直流低压电流器件。因此，在半导体照明应用中，需要首先解决驱动电源问题。随着LED芯片及封装技术的发展，LED的发光效率不断突破，耐电流冲击能力不断提高，抗静电防护能力也得到了加强；另一方面新散热材料的应用和新散热技术的发展，有效控制了LED芯片温升和光衰问题。在这样情况下，LED驱动电源特别是大功率驱动电源成为影响LED灯具寿命的主要因素，并且成为仅次于LED芯片的灯具成本构成。

高效、低成本、高可靠的LED 驱动电源开发将会成为未来半导体照明驱动电源技术的核心基石。在此基础上，探索驱动电源产品的模块化、标准化，开发具有高集成度、高智能化电源及控制技术，有助于进一步提升LED驱动电源品质。无电解LED驱动电源、小功率低成本驱动芯片、交流直接驱动LED电源、全固态大容量电容以及基于用户需求的智能电源技术有望成为未来LED驱动电源技术的突破口。

3.3.新型、高效灯具热管理技术

LED灯具热管理的核心思想是将LED器件及驱动电源在工作时的产生地热量尽快导出并散发至环境中。开发具有高热导率的散热材料如新型塑料、陶瓷、石墨、金属、导热胶、散热涂层等灯具辅材，开发并设计具有高效散热能力的新型灯具结构是降低LED灯具热阻的关键因素。

除开发高性能散热材料、提升材料散热性能外，LED灯具散热技术还可以根据与外接换热方式分为被动散热和主动散热。被动散热方式主要有自然对流散热和热管技术散热两种。自然对流散热是指在LED 灯具上加装各种散热片借助自然对流进行冷却的一种基本散热方式。其优点是成本低、运行可靠，也是应用最为广泛的LED灯具散热方式，但较难满足大功率密度LED灯具的散热需求。

而借助热管对LED 装置进行冷却越来越受到人们的关注，成为大功率LED 照明光源散热技术的热点。热管又分为平板热管、回路热管、翅片式热管、微型热管等多种形式，其导热能力可达普通金属的1000倍以上。但成本可能成为制约热管技术应用的重要因素。

LED照明的主动散热是指消耗一定量的电能，采用风扇、泵等驱动散热介质受迫流过LED 照明设备或采用半导体制冷等方法对LED光源进行冷却的技术，并将热量带至散热模块进行外界热交换。相比被动散热，主动冷却技术具有冷却强度高、冷却效果好的优点，特别适用于高功率密度或超大型LED 照明装置的冷却。但其成本及散热系统的寿命是制约其应用的主要因素。

基于室内、室外等不同照明环境以及特定照明用途导致的在灯具功率、体积、材质等诸多方面的制约，LED照明灯具的热管理需要因地因需制宜进行专业设计，并综合材料创新、结构创新进行优化设计。此外，照明功能模块化并结合智能控制技术，也可以帮助LED灯具在散热性能上进行一定优化。

3.4.面向扩展光源的高效二次配光技术

LED芯片面积小、光通量大、半空间出光的发光特性使得采用LED芯片直接进行照明应用存在光能利用不合理的问题，降低了LED灯具的能量利用效率。

因而，在芯片基础上进行灯具的二次配光成为改善LED光源光学性能、提高能量利用率的常规方案，特别是基于点光源(point source)非成像光学(non-image optics)配光设计的自由曲面二次配光方案已经在点阵式LED灯具中得到了广泛应用，并出现了很多成熟的技术方案和丰富的应用实例。尽管仍存在诸如二次配光元件缺乏对LED芯片的通配性、配光区域边缘色差等问题，但二次配光技术已在事实上成为LED灯具照明质量的重要保障。

随着LED芯片的大功率、高光通量的发展趋势，LED芯片的集成度越来越高，面积也越来越大，二次配光尚缺乏面向具有上述特征、扩展光源(extend source)型LED芯片的高效光学系统设计方案。另一方面，医学内窥镜、微型投影仪等应用领域，光学系统的尺寸受到极大限制，基于点光源方案的二次配光方案也难以满足，同样需要有更高效的光学系统设计方案出现。

此外，随着半导体照明领域的日益广泛以及具体应用需求的细分化，如汽车前照灯、超远距离LED探照灯、医用内窥镜LED光源、高效LED面光源等特定用途LED照明灯具的出现，也对LED光源及灯具的配光技术提出了更多更细的要求。

3.5.应用新需求

LED照明灯具的应用领域愈发广泛，功能化、系统化、智能化的趋势也愈发明显，这对LED灯具除电、光、热等方面的性能之外，提出了更多新要求。如在室外照明应用中的防水、防尘、防电压冲击、防紫外老化、防腐蚀等性能；在航海船舶等环境的防震、防盐雾等性能；面向环境适应性及用户适应性的智能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见光载波通信性能；色温实时、动态控制性能等。而面向现代农业、养殖、医疗、文物保护、微投影与微显示等特种照明应用需求以及极端恶劣环境照明应用的LED灯具也将已经成为半导体照明应用的重要组成部分。

在高品质灯具的基础上，随着半导体照明工程的推广，作为可以实现实时调控的LED光源，其集群照明或系统照明优化及智能控制技术也被提到行业技术需求的日程表上来。如集群应用技术与可变色温的模组化LED 照明系统；自适应照明强度自动配置技术；节能管理与维护管理系统集成技术研究；照明系统网络拓扑及网络性能优化技术；智能化照明控制系统的控制协议与标准；基于物联网、互联网或云技术，实现照明系统管理等等都是进一步发挥LED光源特点，展现半导体照明节能、高照明质量优势的重要手段，也是进一步推动半导体照明应用、优化半导体照明工程节能需求的重要技术保障。

基于三基色LED的主动显示技术也是LED重要应用领域，并在户外照明、舞台背景等大屏幕显示市场占据了统治地位。基于现有LED显示技术，开发更低功耗、更高产品稳定性、更高分辨率的LED显示产品，需要在LED芯片、管芯封装、显示驱动、散热模块、显示一致性以及单像素点维护等诸多方面进一步开发适合LED显示特性的技术及产品方案。采用蓝光激发三基色的荧光粉技术，也有望给LED显示技术带来新的可能。

除此之外，基于高功率半导体照明产品光辐射安全研究、半导体照明光源及灯具耐候性和可靠性研究、半导体照明灯具在线检测方法及设备研究、加速检测设备及检测标准研究、半导体照明产品和照明系统检测技术和设备的研究及开发；照明控制设备的检测技术研究与设备开发、具有公信力的第三方半导体照明产品检测与质量认证平台建设等内容也成为半导体照明在应用领域需要迫切解决的问题。

3.6.小结

随着半导体照明广泛应用，开发高效、低成本、替代型半导体照明光源技术，发挥LED高品质光源、多功能兼容优点，积极开发针对现代照明的调光控制和驱动技术，将成为 LED光源应用的重要研究课题。针对不同应用场合，开发具有明确功能化需求的LED照明灯具，需要结合光、电、热、机械、材料以及结构等诸多技术创新，是一个复杂的系统工程。远程荧光粉、大功率MCOB集成芯片等新技术的成熟和发展也会对LED灯具应用技术提出更多新的挑战。

4.展望

我国LED照明应用行业在积极发展增强自身经济实力，完善行业标准、规范行业行为的同时，必须更加注重和加强针对技术创新的投入以及相应知识产权的保护。只有提高技术创新能力，才能提升LED照明产品品质，实现高质量、高效能、高可靠性、长寿命半导体照明，从而进一步提高LED照明产品性价比、增强市场竞争力，使得包括采用能源管理合同(energy management contract, EMC)模式在内的半导体照明工程的得以真正、更为广泛的实施和应用。

需要提到的是，除了基于GaN基蓝光LED的半导体照明技术外，有机半导体照明光源(OLED)技术，在柔性、可弯曲以及大面积制备方面具有较多优势，在特定应用场合具有充分潜力。但OLED技术仍未达到可以大规模进入市场的程度，仍需进一步提高其发光效率、延长器件寿命并降低器件成本，其产业也未具规模。

此外，LED器件具有低压直流工作的特性，因此与包括太阳能光伏在内的新型清洁能源结合具有天然优势。事实上，太阳能LED灯具在路灯、草坪灯、野营探险灯具等室外照明产品中已经有了广泛应用，其技术瓶颈也多集中在非LED产品及技术上，如进一步提升光伏板效率、延长储能系统寿命、降低光伏及储能组件重量等。

但作为较其他传统光源更具有优势的应用场合，太阳能LED灯具在未来室外照明应用以及应急照明应用中将会有独特不可替代的作用。积极开发此类LED灯具，完善技术方案，甚至开发太阳能光伏与LED集成的芯片或封装技术，有助于丰富LED产品类型，拓展半导体照明应用领域。

半导体照明技术发展到今天，已经为世人展示了一个广阔应用空间，在诸多领域已经形成了不可替代的重要地位。相比于其他传统光源，半导体照明光源在流明效率、器件寿命、节能环保等方面的优势无与伦比，在应用领域、灯具设计及艺术造型方面也给予我们充分的想象空间和足够的发挥舞台。而最为关键的是，其技术仍未到达瓶颈，并有足够的发展和进步潜力。相信随着LED芯片技术、封装技术以及应用技术的日益提升，半导体照明普及的明天必将到来！-上海科锐光电发展有限公司邵嘉平


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