1、引言

LED是一種可直接將電能轉化為可見光和輻射能的發光器件，由於具有工作電壓低、耗電量小、發光效率高、發光響應時間極短、光色純、結構牢固、抗衝擊、耐振動、性能穩定可靠、重量輕、體積小、成本低等一系列特性，其發展突飛猛進，現已能批量生產整個可見光譜段各種顔色的高亮度、高性能產品。國產紅、綠、橙、黃的LED產量約佔世界總量的12％，「十五」期間的產業目標是達到年產300億隻的生產水平，實現超高亮度AlGsInP的LED外延片和芯片的大批量生產，年產10億隻以上紅、橙、黃超高亮度LED管芯，突破GaN材料的關鍵技術，實現藍、綠、白LED的中批量生產。

在LED產業鏈接中，上游是LED襯底晶片及襯底生產，中游的產業化為LED芯片設計及製造生產，下游歸LED封裝與測試，研發低熱阻、優異光學特性、高可靠的封裝技術是新型LED走向實用、走向市場，實現產業化的必經之路，從某種意義上講是連接產業與市場的紐帶，只有封裝好的LED才能成為終端產品，才能投入市場實際應用，才能為顧客提供服務，使產業鏈環環相扣，無縫暢通。

2、LED封裝的特殊性

LED封裝技術大都是從分立器件封裝技術基礎上發展而來的，但也有很大的特殊性。一般情況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內，封裝的作用主要是保護管芯和完成電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號，保護管芯正常工作，輸出：可見光的功能，既有電參數，又有光參數的設計及技術要求，無法簡單地將分立器件的封裝用於LED。

LED的核心發光部分是由ｐ型和ｎ型半導體構成的PN結管芯，當注入PN結的少數載流子與多數載流子複合時，就會發出可見光，紫外光或近紅外光。但PN結區發出的光子是非定向的，即向各個方向發射有相同的幾率，因此，並不是管芯產生的所有光都可以釋放出來，這主要取決於半導體材料質量、管芯結構及幾何形狀、封裝內部結構與包封材料，應用要求提高LED的內、外部量子效率。常規Φ5mm型LED封裝是將邊長為0.25mm的正方形管芯粘結或燒結在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點與金絲鍵合為內引線並與一條管腳相連，負極通過反射杯和引線架的另一管腳相連，然後其頂部用環氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面、界面發出的光，向期望的方向角內發射。頂部包封的環氧樹脂做成一定形狀，有這樣幾種作用：保護管芯等不受外界侵蝕；採用不同的形狀和材料性質（摻或不摻散色劑），有透鏡或漫射透鏡功能，控制光的發散角；管芯折射率與空氣折射率相關太大，致使管芯內部的全反射臨界角較小，其有源層產生的光只有小部分被取出，大部分留在管芯內部經多次反射而被吸收，易發生全反射從而導致過多光損失，應選用相應折射率的環氧樹脂作過渡，提高管芯的光出射效率。用作構成管殼的環氧樹脂須具有耐濕性、絕緣性、機械強度，對管芯發出光的折射率和透射率較高。選擇不同折射率的封裝材料和不同封裝幾何形狀對光子逸出效率的影響是不同的，發光強度的角分佈也與管芯結構、光輸出方式、封裝透鏡所用材質和形狀有關。若採用尖形樹脂透鏡，可使光集中到LED的軸線方向，相應的視角較小；如果頂部的樹脂透鏡為圓形或平面型，其相應視角將增大。

一般情況下，LED的發光波長隨溫度變化為0.2~0.3ｎm/℃，光譜寬度隨之增加，影響顔色鮮艶度。另外，當正向電流流經PN結，發熱性損耗使結區產生溫升，在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發光強度會相應地減少1％左右。封裝散熱時保持色純度與發光強度非常重要，以往多採用減少其驅動電流的辦法，降低結溫，多數LED的驅動電流限制在20ｍＡ左右。但是，LED的光輸出會隨電流的增大而增加，目前，很多功率型LED的驅動電流可以達到70ｍＡ、100ｍＡ甚至1Ａ級，這就需要改進封裝結構，採用全新的LED封裝設計理念和低熱阻封裝結構及技術、改善熱特性。例如，採用大面積芯片倒裝結構，選用導熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點的矽載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應用設計中，PCB線路板等的熱設計、導熱性能也十分重要。

進入21世紀後，LED的高效化、超高亮度化、全色化不斷發展創新，紅、橙LED光效已達到100lm/W，綠LED為501m/W，單只LED的光通量也達到數十lm。LED芯片和封裝不再沿襲傳統的設計理念與製造生產模式，在增加芯片的光輸出方面，研發不僅僅限於改變材料內雜質數量、晶格缺陷和位錯來提高內部效率，同時，如何改善管芯及封裝內部結構，增強LED內部產生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉優化設計，改進光學性能，加速表面貼裝化SMD進程更是產業界研發的主流方向。

3、產品封裝結構類型

自上世紀90年代以來，LED芯片及材料製作技術的研發取得多項突破，透明襯底梯形結構、紋理表面結構、芯片倒裝結構，商品化的超高亮度（1cd以上）紅、橙、黃、綠、藍的LED產品相繼問市，2000年開始在低、中光通量的特殊照明中獲得應用。LED的上、中游產業受到前所未有的重視，進一步推動下游的封裝技術及產業發展，採用不同封裝結構形式與尺寸、不同發光顔色的管芯及其雙色或三色組合方式，可生產出多種系列、品種、規格的產品。　

LED產品封裝結構的類型是根據發光顔色、芯片材料、發光亮度、尺寸大小等情況特徵來分類的。單個管芯一般構成點光源，多個管芯組裝一般可構成面光源和線光源，作信息、狀態指示及顯示用，發光顯示器也是用多個管芯，通過管芯的適當連接（包括串聯和並聯）與合適的光學結構組合而成的，構成發光顯示器的發光段和發光點。表面貼裝LED可逐漸替代引腳式LED，應用設計更靈活，已在LED顯示市場中佔有一定的份額，有加速發展的趨勢。固體照明光源有部分產品上市，成為今後LED中、長期發展的方向。

4、引腳式封裝

LED引腳式封裝採用引線架作各種封裝外型的引腳，是最先研發成功投放市場的封裝結構，品種數量繁多，技術成熟度較高，封裝內結構與反射層仍在不斷改進。標準LED被大多數客戶認為是目前顯示行業中最方便、最經濟的解決方案，典型的傳統LED安置在能承受0.1W輸入功率的包封內，其９0％的熱量是由負極的引腳架散發至PCB板，再散發到空氣中，如何降低工作時PN結的溫升是封裝與應用必須考慮的。包封材料多採用高溫固化環氧樹脂，其光性能優良，工藝適應性好，產品可靠性高，可做成有色透明或無色透明和有色散射或無色散射的透鏡封裝，不同的透鏡形狀構成多種外形及尺寸，例如，圓形按直徑分為Φ2mm、Φ3mm、Φ4.4mm、Φ5mm、Φ7mm等數種，環氧樹脂的不同組份可產生不同的發光效果。花色點光源有多種不同的封裝結構：陶瓷底座環氧樹脂封裝具有較好的工作溫度性能，引腳可彎曲成所需形狀，體積小；金屬底座塑料反射罩式封裝是一種節能指示燈，適合作電源指示用；閃爍式將ＣＭＯＳ振盪電路芯片與LED管芯組合封裝，可自行產生較強視覺衝擊的閃爍光；雙色型由兩種不同發光顔色的管芯組成，封裝在同一環氧樹脂透鏡中，除雙色外還可獲得第三種的混合色，在大屏幕顯示系統中的應用極為廣泛，並可封裝組成雙色顯示器件；電壓型將恆流源芯片與LED管芯組合封裝，可直接替代5~24Ｖ的各種電壓指示燈。面光源是多個LED管芯粘結在微型PCB板的規定位置上，採用塑料反射框罩並灌封環氧樹脂而形成，PCB板的不同設計確定外引線排列和連接方式，有雙列直插與單列直插等結構形式。點、面光源現已開發出數百種封裝外形及尺寸，供市場及客戶選用。

LED發光顯示器可由數碼管或米字管、符號管、矩陳管組成各種多位產品，由實際需求設計成各種形狀與結構。以數碼管為例，有反射罩式、單片集成式、單條七段式等三種封裝結構，連接方式有共陽極和共陰極兩種，一種就是通常說的數碼管，兩位以上的一般稱作顯示器。反射罩式具有字型大，用料省，組裝靈活的混合封裝特點，一般用白色塑料製作成帶反射腔的七段形外殼，將單個LED管芯粘結在與反射罩的七個反射腔互相對位的PCB板上，每個反射腔底部的中心位置是管芯形成的發光區，用壓焊方法鍵合引線，在反射罩內滴入環氧樹脂，與粘好管芯的PCB板對位粘合，然後固化即成。反射罩式又分為空封和實封兩種，前者採用散射劑與染料的環氧樹脂，多用於單位、雙位器件；後者上蓋濾色片與勻光膜，並在管芯與底板上塗透明絕緣膠，提高出光效率，一般用於四位以上的數字顯示。單片集成式是在發光材料晶片上製作大量七段數碼顯示器圖形管芯，然後劃片分割成單片圖形管芯，粘結、壓焊、封裝帶透鏡（俗稱「魚眼」透鏡）的外殼。單條七段式將已製作好的大面積LED芯片，劃割成內含一隻或多只管芯的發光條，如此同樣的七條粘結在數碼字形的可伐架上，經壓焊、環氧樹脂封裝構成。單片式、單條式的特點是微小型化，可採用雙列直插式封裝，大多是專用產品。LED光柱顯示器在106mm長度的線路板上，安置101只管芯（最多可達201只管芯），屬於高密度封裝，利用光學的折射原理，使點光源通過透明罩殼的13~15條光柵成像，完成每隻管芯由點到線的顯示，封裝技術較為複雜。

半導體PN結的電致發光機理決定LED不可能產生具有連續光譜的白光，同時單只LED也不可能產生兩種以上的高亮度單色光，只能在封裝時借助螢光物質，藍或紫外LED管芯上塗敷螢光粉，間接產生寬帶光譜，合成白光；或採用幾種（兩種或三種、多種）發不同色光的管芯封裝在一個組件外殼內，通過色光的混合構成白光LED。這兩種方法都取得實用化，日本2000年生產白光LED達1億隻，發展成一類穩定的發白光的產品，並將多隻白光LED設計組裝成對光通量要求不高，以局部裝飾作用為主，追求新潮的電光源。

5、表面貼裝封裝

在2002年，表面貼裝封裝的LED（SMD　LED）逐漸被市場所接受，並獲得一定的市場份額，從引腳式封裝轉向SMD符合整個電子行業發展大趨勢，很多生產廠商相繼推出此類產品。

早期的SMD　LED大多採用帶透明塑料體的SOT－23改進型，外形尺寸3.04×1.11mm，卷盤式容器編帶包裝。在SOT－23基礎上，研發出帶透鏡的高亮度SMD的SLM－125系列、SLM－245系列LED，前者為單色發光，後者為雙色或三色發光。近些年，SMD　LED成為一個發展熱點，很好地解決了亮度、視角、平整度、可靠性、一致性等問題，採用更輕的PCB板和反射層材料，在顯示反射層需要填充的環氧樹脂更少，並去除較重的碳鋼材料引腳，通過縮小尺寸，降低重量，可輕易地將產品重量減輕一半，最終使應用更趨完美，尤其適合戶內，半戶外全彩顯示屏應用。

焊盤是SMD LED散熱的重要渠道，廠商提供的SMD　LED的數據都是以4.0mm×4.0mm的焊盤為基礎，採用回流焊可設計成焊盤與引腳相等。超高亮度LED產品可採用PＬＣＣ（塑封帶引線片式載體）－2封裝，外形尺寸為3.0mm×2.8mm，通過獨特方法裝配高亮度管芯，產品熱阻為400℃/W，可按ＣＥＣＣ方式銲接，其發光強度在50ｍＡ驅動電流下達1250ｍcd。七段式的一位、兩位、三位和四位數碼SMD　LED顯示器件的字符高度為5.08~12.7mm，顯示尺寸選擇範圍寬。PＬＣＣ封裝避免了引腳七段數碼顯示器所需的手工插入與引腳對齊工序，符合自動拾取—貼裝設備的生產要求，應用設計空間靈活，顯示鮮艶清晰。多色PＬＣＣ封裝帶有一個外部反射器，可簡便地與發光管或光導相結合，用反射型替代目前的透射型光學設計，為大範圍區域提供統一的照明，研發在3.5Ｖ、1Ａ驅動條件下工作的功率型SMD　LED封裝提供有利條件。

6、功率型封裝

LED芯片及封裝向大功率方向發展，在大電流下產生比Φ5mmLED大10~20倍的光通量，必須採用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題，因此，管殼及封裝也是其關鍵技術，能承受數瓦功率的LED封裝已出現。5W系列白、綠、藍綠、藍的功率型LED從2003年初開始供貨，白光LED光輸出達1871ｍ，光效44.31m/W，就光衰問題，開發出可承受10W功率的LED大面積管；其尺寸為2.5mm×2.5mm，可在5Ａ電流下工作，光輸出達2001ｍ，作為固體照明光源有很大發展空間。

Ｌｕｘｅｏｎ系列功率LED是將AlGaInN功率型倒裝管芯，倒裝銲接在具有焊料凸點的矽載體上，然後把完成倒裝銲接的矽載體裝入熱沉與管殼中，鍵合引線進行封裝。這種封裝對於取光效率，散熱性能，加大工作電流密度的設計都是最佳的。其主要特點：熱阻低，一般僅為14℃/W，只有常規LED的1/10；可靠性高，封裝內部填充穩定的柔性膠凝體，在－40~120℃範圍，不會因溫度驟變產生的內應力，使金絲與引線框架斷開，並防止環氧樹脂透鏡變黃，引線框架也不會因氧化而玷污；反射杯和透鏡的最佳設計使輻射圖樣可控和光學效率最高。另外，其輸出光功率、外量子效率等性能優異，將LED固體光源發展到一個嶄新水平。

Nｏｒｌｕｘ系列功率LED的封裝結構為六角形鋁板做底座（使其不導電）的多芯片組合，底座直徑31.75mm，發光區位於其中心部位，直徑約0.375×25.4mm，可容納40只LED管芯，鋁板同時作為熱沉。管芯的鍵合引線通過底座上製作的兩個接觸點與正、負極連接，根據所需輸出光功率的大小來確定底座上排列管芯的數目，可組合封裝的超高亮度的AlGaInN和AlGaInP管芯，其發射光分別為單色、彩色或合成的白色，最後用高折射率的材料按光學設計形狀進行包封。這種封裝採用常規管芯高密度組合封裝，其光效率高、熱阻低，能較好地保護管芯與鍵合引線，在大電流下有較高的光輸出功率，也是一種有發展前景的LED固體光源。

在應用中，可將已封裝產品組裝在一個帶有鋁夾層的金屬芯PCB板上，形成功率密度LED，PCB板作為器件電極連接的布線之用，鋁芯夾層則可作熱沉使用，獲得較高的發光通量和光電轉換效率。此外，封裝好的SMD　LED體積很小，可靈活地組合起來，構成模塊型、導光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。

功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發光效率、發光波長、使用壽命等，因此，對功率型LED芯片的封裝設計、製造技術更顯得尤為重要。

7、LED發展及應用前景

近幾年，LED的發光效率增長100倍，成本下降到原來的十分之一，廣泛用於大面積圖文顯示全彩屏、狀態指示、標誌照明、信號顯示、液晶顯示器的背光源、汽車組合尾燈及車內照明等方面，其發展前景吸引全球照明大廠家先後加入其光源及市場開發中。極具發展與應用前景的是白光LED，用作固體照明器件的經濟性顯著，且有利環保，正逐步取代傳統的白熾燈，世界年增長率在20％以上，中、美、日及歐洲部分國家均推出了半導體照明計劃。目前，普通白光LED發光效率25lm/W。功率型LED優異的散熱特性與光學特性更能適應普通照明領域，被學術界和產業界認為是LED進入照明市場的必由之路。為替代螢光燈，白光LED必須具有150~200lm/W的光效，且每lm價格應明顯低於0.015＄/lm（現價約0.25＄/lm，紅LED為0.065＄/lm），要實現這一目標仍有很多技術問題需要解決，但克服這些問題並不是十分遙遠的事。按固體發光物理學原理，LED的發光效率能近似100％，因此，LED被譽為「21世紀的新光源」，有望成為繼白熾燈、螢光燈、高強度氣體放電燈之後的第四代光源。

8、結束語

國內LED產業中有20餘家上、中游研製及生產單位和150餘家封裝企業，高端封裝產品還未見推向市場。目前，完成GaN基藍綠光LED中游工藝技術產業化研究，力爭在短期內使產品的性能指標達到國外同時期同類產品的水平，力爭在較短時間內達到月產10kk的生產能力，開發白光照明光源用的功率型LED芯片等新產品。科技部將投入8000萬元資金，啟動國家半導體照明工程，注意終端產品，先從特種產品做起，以汽車、城市景觀照明作為市場突破口，把大功率、高亮度LED放在突出位置，它的成果將要服務於北京奧運會和上海世博會。無庸質疑，產業鏈中的襯底、外延、芯片、封裝、應用需共同發展，多方互動培植，封裝是產業鏈中承上啟下部分，需要關注與重視。