2。功率型封装

功率LED***早始于HP公司推出的“食人鱼”封装结构的LED及“ Snap LED”，有两种工作电流，分别为70mA和150mA，输入功率可达0.3W。功率LED的输入功率比原支架式封装的LED提高了几倍，热阻降为其几分之一。而瓦级功率LED是未来照明的核心部分，所以各大公司投入了很大力量对瓦级功率LED的封装技术进行研究开发。

LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比5mm的LED大10-20倍的光通量，必须采用有效的散热方式与不劣化的封装材料解决光衰问题，因此，管壳及封装是其关键技术，目前能承受数瓦功率的LED封装已出现。5W系列白光、绿光、蓝绿光、蓝光功率型LED已推向市场，白光LED的光输出达1871m，光效为4431mW。人们也开发出了可承受10W功率的LED，采用大面积管芯，尺寸为2.5mm×2.5mm，可在5A电流下工作，光输出达2001m，它作为固体照明光源有很大的发展空间。

超高亮度LED产品可采用PLCC-2(塑封带引线片式载体)封装，外形尺寸为30mm*2.8mm，通过独特方法装配高亮度管芯，产品热阻为400K/W，可按CECC方式焊接，其发光强度在50mA驱动电流下达1250mcd。全新的LED功率型封装设计理念主要归为两类类为单芯片功率型封装，另一类为多芯片功率型封装。

(1)功率型LED的单芯片封装

Lumileds公司研制的 Luxeon系列大功率LED单芯片封装结构与常规的LED封装结构全然不同，它是将正面出光的LED芯片直接焊接在热衬上，或将背面出光的LED芯片先倒装在具有焊料凸点的硅载体上，然后将其焊接在热衬上，使大面积芯片在大电流下工作的热特性得到改善。这种封装对于取光效率、散热性能和电流密度的设计都是***佳的，其主要特点如下。

①热阻低。常规d5mm型LED采用较小的芯片尺寸和传统环氧封装具有很高的热阻，而这种新型封装结构的热阻一般仅为14℃W，可比常规LED减小约95%

②可靠性高。内部填充稳定的柔性胶凝体，在40~120℃的范围内不会由于温度骤变产生的内应力而使金丝和框架引线断开。用这种硅橡胶作为光耦合的密封材料，不会出现普通光学环氧树脂那样的变黄现象；金属引线框架也不会因氧化而玷污。

③反射杯和透镜的***佳设计使辐射可控和光学效率***高，在应用中可将它们组装在一个带有铝夹层的电路板(铝芯PC板)上，电路板作为器件电极连接布线用，铝芯夹层则可作为功率型LED的热衬。这样不仅可获得较高的光通量，而且还具有较高的光电转换效率。

Lumileds公司的单芯片瓦级功率LED封装结构的特点是采用热电分离的形式，将倒装芯片用硅载体直接焊接在热衬上，并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料，现可提供单芯片1W、3W和5W的大功率LED产品。 Osram公司推出了单芯片的 GoldenDragon系列LED，其结构特点是热衬与金属线路板直接接触，具有很好的散热性能，而输入功率可达1W。

(2)功率型LED的多芯片组合封装

Norlux系列LED的封装结构为六角形，铝衬底的直径为1.25英寸，发光区位于其中央部位，直径约为0.375英寸，可容纳40只LED芯片。用铝板作为热衬，并使芯片的键合引线通过在衬底上做成的两个接触点与正极和负极连接。根据所需输出光功率的大小来确定衬底上排列管芯的数目，组合封装的超高亮度芯片包括 AlGaInN和 AlGaInP，它们的发射光可为单色、彩色(RGB)、白色(由RGB三基色合成或由蓝色和黄色二元合成)。***后采用高折射率的材料按照光学设计形状进行封装，不仅取光效率高，而且还能够使芯片和键合的引线得到保护。由40个 AlGInP(AS)芯片组合封装的LED的发光效率为20m/W。对于采用RGB三基色合成白光的组合封装模块，当混色比为043(R):0.48(G):0.009(B)时，光通量典型值为100m，CCT标准色温为4420%K，色坐标x为0.3612，y为0.3529。由此可见，这种采用常规芯片进行高密度组合封装的功率LED可以达到较高的亮度水平，热阻小，可在大电流下工作而获得较高的光输出功率。

多芯片组合封装的大功率LED的结构和封装形式较多。日亚公司推出的超高亮度白光LED的光通量可达6001m，输出光通量为10001m时耗电量为30W，***大输入功率为50W，白光LED模块的发光效率达331m/W我国台湾UEC公司(国联)生产的采用金属键合(MealBonding)技术封装的MB系列大功率LED的特点是，用Si代替GaAs衬底，散热好，并以金属黏结层作为光反射层，提高了光输出效率。

功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等，因此，功率型LED芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。大功率LED封装主要需考虑的问题如下。

①散热。散热对于功率型LED器件是至关重要的。如果不能将电流产生的热量及时散出，保持PN结的温度在允许范围内，将无法获得稳定的光输出和维持正常的器件寿命。

在常用的散热材料中，银的导热率***高，但是银散热板的成本较高，不适宜制作通用型散热器。铜的导热率比较接近银，且其成本比银低。铝的导热率虽然低于铜，但其综合成本***低，有利于大规模制造。经过实验对比发现，较为合适的做法是：连接芯片部分采用铜基或银基热衬，再将该热衬连接在铝基散热器上，采用阶梯型导热结构，利用铜或银的高导热率将芯片产生的热量高效传递到铝基散热器上，再通过铝基散热器将热量散出(通过风冷或热传导方式散出)。这种做法的优点是：充分考虑散热器的性价比，将不同特点的散热器结合在一起做到高效散热、并使成本控制合理化。

应注意的是，连接铜基热衬与芯片之间的材料选择是十分重要的，LED行业常用的芯片连接材料为银胶。但是，经过研究发现银胶的热阻为10~25W(m·K)，如果采用银胶作为连接材料，就等于人为地在芯片与热衬之间加上了一道热阻。另外，银胶固化后的内部基本结构为环氧树脂骨架+银粉填充式导热导电结构，这种结构的热阻极高且TG点较低，对器件的散热与物理特性稳定极为不利。解决此问题的做法是：以锡片焊作为晶粒与热衬之间的连接材料[锡的导热系数67W/(m·K)]，可以获得较为理想的导热效果(热阻约为16℃/w)。锡的导热效果与物理特性远优于银胶。

②出光。传统的LED器件封装方式只能利用芯片发出约50%的光能，由于半导体与封闭环氧树脂的折射率相差较大，内部的全反射临界角很小，有源层产生的光只有小部分被取出，大部分在芯片内部经多次反射而被吸收，这是LED芯片取光效率很低的根本原因。如何将内部不同材料间折射、反射消耗的50%的光能加以利用，是设计出光系统的关键。

利用芯片倒装技术可以比传统的LED芯片封装技术得到更多的有效出光。但是，如果不在芯片的发光层与电极下方增加反射层来反射出浪费的光能，则会造成约8%的光损失。所以，底板材料上必须增加反射层。芯片侧面的光也必须利用热衬的镜面加工法加以反射出，以提高器件的出光率。而且在倒装芯片的蓝宝石衬底部分与环氧树脂导光结合面上应加上层硅胶材料，以改善芯片出光的折射率。

经过上述光学封装技术的改善，可以大幅度提高大功率LED器件的出光率(光通量)大功率LED器件顶部透镜的光学设计也是十分重要的，通常的做法是在进行光学透镜设计时充分考虑***终照明器具的光学设计要求，尽量配合应用照明器具的光学要求进行设计。

常用的透镜有凸透镜、凹锥透镜、球镜、菲湦尔透镜、组合式透镜等。透镜与大功率LED器件的装配方法的理想情况是采取气密性封装，如果受透镜形状所限，也可采取半气密性封装。透镜材料应选择高透光率的玻璃或亚克力等合成材料，也可以采用传统的环氧树脂模组式封装，加上二次散热设计也基本可以达到提高出光率的效果。