1.2 LED的封裝與應用
1.2.1 LED的封裝材料
所謂封裝，就是將LED芯片用絕緣的塑料或陶瓷材料打包使芯片與外界隔離，以防止空氣中的雜質對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降，封裝后的芯片更便于安裝和運輸。封裝技術至關重要，因為只有封裝好的產品才能成為終端產品，才能為用戶所用，而且封裝技術的好壞直接影響到產品自身性能的發揮，可靠的封裝技術是產品走向實用化、走向市場的必經之路。
1.LED熒光粉
熒光粉是通過吸收電子線、X射線、紫外線、電場等的能量后，將其中一部分能量轉化成可視效率較高的可見光并輸出（發光）的物質。熒光粉吸收LED發出的藍光后，可轉化為綠色、黃色或紅色的光輸出。
熒光粉屬無機化合物，其一般為1μm（微米）至數十微米的粉末狀顆粒。為獲得熒光物質，一般在被稱為母體的適當化合物A中添加被稱為激活劑（也稱發光中心）的元素B，通常用符號A∶B來表示熒光粉的種類。
LED使用的熒光粉，按發光顏色可分為紅、綠、藍；按熒光粉組成基質可分為硅酸鹽、氯硅酸鹽、鋁酸鹽、氮氧化物、氮化物、鎢酸鹽、鉬酸鹽、硫氧化物等，目前主要使用的是硅酸鹽或氮氧化物綠粉、YAG黃粉、氮化物紅粉。
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目前采用熒光粉產生白光共有三種方式：藍光LED芯片配合黃色熒光粉；藍光LED芯片配合紅色、綠色熒光粉；UV-LED芯片配合紅、綠、藍三基色熒光粉。不同熒光粉產生白光LED的優缺點比較見表1-3。
表1-3 不同熒光粉產生白光LED的優缺點比較
2.主劑材料
LED封裝的主劑材料有環氧樹脂、活性稀釋劑、消泡劑、調色劑和脫模劑，見表1-4。
表1-4 LED封裝的主劑材料
3.固化劑材料
LED封裝的固化劑材料有甲基六氫苯酐、促進劑、抗氧劑，見表1-5。
表1-5 LED封裝的固化劑
4.陶瓷材料
由于LED發出的短波長光中的一部分會造成樹脂老化等問題，陶瓷材料成為解決這一問題的理想材料。
陶瓷材料可使用在搭載LED芯片的襯底上。陶瓷材料的防熱性能很好，具有幾乎不會被光老化的特點。此外，利用其絕緣性能高的優點，在陶瓷多層襯底的積層內部進行配線的陶瓷襯底也被用于了LED產品。陶瓷襯底正被廣泛地應用于“倒裝焊芯片”或“大功率型芯片”的高效芯片LED光源上。
此外，陶瓷材料因很少會擾亂LED芯片的發光（波長特征），因此有望通過陶瓷材料穩定光線，以控制光偏移。
近年來的研究發現陶瓷材料不僅可以用于襯底，而且還可以用于襯底與反射器一體的封裝。
5.封裝膠水
LED封裝膠水一般采用環氧樹脂A、B膠，其主要成分為電子級、低粘度環氧樹脂和助劑、酸無水物組成。使用時，A、B膠的配膠比例一定要掌握好，并混合攪拌，正確控制固化及老化溫度，使AB膠固化完全。
1.2.2 LED的封裝形式
隨著LED芯片性能、發光顏色、外形尺寸和安裝方式的不斷更新進步，以及應用需求的不斷增加，LED的封裝技術也在不斷推陳出新，如圖1-8所示。
1.引腳式封裝
LED引腳式封裝是最先研發成功投放市場的封裝結構，一般用于電流較小（20～30mA）、功率較低（小于0.1W）的LED封裝。它采用引線架作各種封裝外形的引腳，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。
圖1-8 LED封裝形式的發展
目前引腳式LED的設計已相對成熟，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，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，但在衰減壽命、光學匹配、失效率等方面存在一定的問題，從而制約了它的發展。
沿襲小功率DIP LED封裝思路的大尺寸環氧樹脂封裝，如圖1-9所示。
圖1-9 LED直插式封裝
2.食人魚式封裝
食人魚封裝是一種正方形的、透明樹脂封裝形式，負極處有個缺腳。食人魚LED屬于散光型的LED，發光角度大于120°，發光強度很高，而且能承受更大的功率。
食人魚封裝模粒的形狀也是多種多樣的，有?3mm圓頭和?5mm圓頭，也有凹型形狀的平頭形狀。根據出光角度的要求，可選擇各種封裝模粒。
食人魚封裝LED的散熱好，相對?5mm的普通LED，其光衰小、壽命長，因此其使用壽命比較長，這樣可以節省維修費用。這種封裝方式的缺點是體積要比普通的5mm LED大一點，由于發光角度大，若用于制作全彩的RGB混光，效果不如5mm草帽狀的LED好。
食人魚式環氧樹脂封裝，如圖1-10所示。
圖1-10 食人魚式封裝
3.鋁基板（MCPCB）式封裝
采用鋁基印制電路板封裝，可較好地解決大功率LED的散熱問題，提高了LED的工作穩定性和可靠性。如圖1-11所示，LED的底部散熱窗口采用回流焊方式直接固定在絕緣層上，通過立體長條形的鋁基板直接散熱，LED仍然用兩根電極引出，與電路層焊接在一起。
圖1-11 鋁基板（MCPCB）式封裝
4.TO式封裝
TO（Transistor Out-line）的中文意思是“晶體管外形”，這是一種比較早期的晶體管封裝規格。近年來，借鑒大功率晶體管封裝思路，采用TO式封裝LED產品也占一定的市場份額，如圖1-12所示。
5.表面貼裝式封裝
表面貼裝（SMD）封裝技術主要是利用焊錫熔融再凝固的方式安裝在器件載板上，形成SMD-LED產品。這樣的LED產品在質量上有很大提升，更便于集成化，且生產效率很高。近些年，SMD-LED成為一個發展熱點，由于其應用設計靈活，很好地解決了亮度、視角、平整度、可靠性、一致性等問題；采用更輕的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；并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；尤其是頂部發光TOP型SMD處在不斷發展之中，封裝支架尺寸、封裝結構設計、材料選擇、光學設計、散熱設計等不斷創新，具有廣闊的技術潛力，所以SMD-LED有加速發展的趨勢，并逐漸替代引腳式LED。
圖1-12 TO式封裝
雖然表面貼裝封裝技術在封裝技術中占有一定的份額，并有加速發展的趨勢，但表面貼裝過程要用到大量的焊球和焊膏。一直以來，鉛錫合金在焊料中占主導地位，由于鉛及鉛化合物屬劇毒物質，對人體及牲畜具有極大的毒性，而且會造成嚴重的污染，所以研發使用優質低價的無鉛焊料成為表面貼裝封裝技術發展道路上的一個勢壘。功率型LED表面貼裝（SMD）式封裝，如圖1-13所示。
圖1-13 SMD式封裝
6.功率型封裝
國內功率型LED封裝早在20世紀90年代就開始，它主要應滿足以下兩點要求：一是封裝結構要有高的發光效率，二是熱阻要盡可能低，這樣才能保證功率LED的光電性能和可靠性。
功率型LED分為小功率LED和大功率LED兩種。由于小功率LED具有光衰強、安裝成本高等缺點及對LED大的耗散功率、大的發熱量和高的發光效率等要求的提出，使大功率LED成為未來照明的核心，世界各大公司投入很大力量對其封裝技術進行研究開發。國外在功率型封裝這方面的研究成果比較突出，5W系列、Luxeon系列、Norlux系列產品在LED行業具有很強的實力。
流明公司的大功率LED封裝，如圖1-14所示。
圖1-14 流明公司的大功率LED封裝
由于功率型大尺寸芯片制造還處于發展之中，使得功率型LED的結構、光學、材料、參數設計也處于發展之中，不斷有新型的設計出現，而且大功率LED器件的封裝方法和封裝材料并不能簡單地套用傳統的小功率LED器件的封裝方法與封裝材料。大的耗散功率、大的發熱量以及高的發光效率，對LED封裝工藝、封裝設備和封裝材料提出了新的更高的要求。所以，可以說功率型LED的設計是一片新天地，而功率型LED封裝技術也將會成為封裝技術的主流。
7.多芯片集成化封裝（MCPCB）
大尺寸芯片封裝還存在發光的均勻和散熱等問題亟待解決。為避免這些問題，可采用小尺寸芯片集成的方法來增加單管最大可發光通量。由于小芯片技術相對成熟，芯片內量子效率的提高導致產生的熱量減少，芯片有源層的有效電流密度將大幅上升，單顆芯片效率的提高使多芯片集成化封裝成為可能。
MCPCB封裝是近年來發展較快的一種先封裝技術，它把若干個芯片組裝在一塊電路板上，構成多芯片組件，它是LED組件功能實現系統級的基礎。所有芯片都布置在一個平面上，其基板內互連線采用三維方式布置。集成化封裝LED器件的熱聚集效應使LED器件的整體導熱效率變得更好，如圖1-15所示。
8.數顯式封裝
LED數碼管以發光二極管作為發光單元，其封裝方法如圖1-16所示。
9.QFN封裝
四側無引腳扁平封裝（QFN），如圖1-17所示，陶瓷無引線片式LED現已在一些手機及筆記本電腦應用。
圖1-15 MCPCB集成化封裝
圖1-16 數顯式封裝
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以上這些封裝形式各有優缺點，對照明領域而言，大都只適用于特殊照明，是走向通用照明的過渡性產品。用于通用照明的LED應該有更好的解決方案。
1.2.3 大功率LED的散熱措施
1.大功率LED的散熱路徑
大功率LED在結構設計上是十分重視散熱的。圖1-18a所示為流明公司K2系列的內部結構、圖1-18b所示為NICHIA公司NCCW022的內部結構。從這兩圖可以看出：在管芯下面有一個尺寸較大的金屬散熱墊，它能使管芯的熱量通過散熱墊傳到外面去。
圖1-17 QFN式封裝
大功率LED是焊在印制電路板（PCB）上的，如圖1-19所示。散熱墊的底面與PCB的敷銅面焊在一起，以較大的敷銅層作散熱面。為提高散熱效率，采用雙層敷銅層的PCB，其正反面圖形如圖1-20所示，這是一種最簡單的散熱結構。
圖1-18 大功率LED的結構
熱是從溫度高處向溫度低處散熱。大功率LED主要的散熱路徑是：管芯→散熱墊→印制板敷銅層→印制板→環境空氣。若LED的結溫為TJ，環境空氣的溫度為TA，散熱墊底部的溫度為Tc（TJ＞Tc＞TA），散熱路徑如圖1-21所示。
圖1-19 LED與PCB焊接圖
圖1-20 雙層敷銅層散熱結構
圖1-21 大功率LED散熱路徑圖
在熱的傳導過程中，各種材料的導熱性能不同，即有不同的熱阻。若管芯傳導到散熱墊底面的熱阻為RJC（LED的熱阻）、散熱墊傳導到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導到環境空氣的熱阻為RBA，則從管芯的結溫TJ傳導到空氣TA的總熱阻RJA與各熱阻關系為：
RJA=RJC+RCB+RBA各熱阻的單位是℃/W。
我們可以這樣理解：熱阻越小，其導熱性能越好，即散熱性能越好。如果LED的散熱墊與PCB的敷銅層采用回流焊焊在一起，則RCB=0，則上式可寫成：
RJA=RJC+RBA
2.大功率LED的散熱機構
大功率LED散熱機構的形式可分為主動散熱和被動散熱兩大類，見表1-6。
表1-6 大功率LED散熱機構的形式
（續）
（續）
圖1-22 均溫板與熱管傳熱方式比較
圖1-23 LED回路熱管散熱方式
知識窗
LED的熱性能
LED的發光原理是在半導體的禁帶中，電子和空穴對的輻射復合。但是注入LED器件的電能中，僅有約15%的電子和空穴為輻射復合，發出光子，而大約85%的電能則轉化為熱能。LED的熱性能直接影響其發光效率、波長、正向壓降、反向擊穿電流和器件的使用壽命等。傳統的?3mm和?5mm的LED器件由于驅動電流小、發熱少，熱性能影響不顯著。近年來，隨著功率型LED器件的迅速發展，LED熱性能的影響越來越明顯，受到人們的普遍關注。
LED的熱性能主要是指結溫和熱阻。結溫是指PN結的溫度，LED的熱阻一般是指PN結到殼體表面之間的熱阻。
LED的可靠性受溫度的影響很大，使用溫度高則故障率也高。其原因不在LED芯片本身，而是由于封裝樹脂或樹脂罩，因溫度越高老化越快所致。
LED沒有白熾燈、熒光燈耐熱，使用LED時需注意溫度不宜過高，特別要注意的是在LED芯片的周邊不能配置電阻等發熱物體。若LED的溫度超過了耐熱溫度，不僅光強迅速降低，而且還會發生芯片連接金線的斷線，固定芯片的導電銀膠的剝落等現象，甚至可能滅燈。如LED需在高溫下使用時，應根據實際安裝情況加以判斷，并認真對待。