【研究報告 | LED照明行業研究報告】

　　摘要：功率型LED的封裝作為LED產業鏈的重要一環，是促進LED照明走向實用化的核心技術之一。只有通過優良的封裝來減少外部因素對芯片性能的影響，才能為LED芯片的穩定工作提供保障，從而提高LED照明的效果，促進LED照明行業的良好發展。

　　傳統的LED照明通量較白熾燈、熒光燈等光源存在差距，LED照明的發展，需要把發光效率、光通量等指數提升到現有照明光源的水平，這就對于LED的封裝技術提出了更高的要求，功率型LED封裝應運而生。

　　照明領域對LED光源的要求

　　功率型LED照明要替代傳統照明，存在諸多要求。其中在發光效率、輸入功率、單燈光通量、可靠性(包括失效率更低、壽命更長等)以及光學特性(包括色溫、光指向性、顯色性等)等方面要求更高，在光通量方面需要更低的成本。目前美國半導體照明發展藍圖(表1)對LED照明的各項指標提出了明確要求。目前在LED封裝的關鍵技術方面進行改善來促進各項指標的實現。

　　表1 美國半導體照明發展藍圖

　　(美國半導體照明技術發展藍圖(2002—2020))

　　封裝技術的改進

　　1、提高發光效率

　　封裝結構的出光效率以及芯片的發光效率共同決定了LED的發光效率。目前可以通過提高芯片發光效率、提高萃光效率、提高將萃取出的光導出LED管體外的效率、降低LED的熱阻以及提高熒光粉的激發效率等途徑來提高LED發光效率。

　　目前芯片的發光效率隨著芯片制造技術的提高而不斷提高，可以按照應用的不同以及LED封裝結構的特點來選擇合適高效的芯片進行封裝。目前可以選擇的芯片包括HP公司的TS類芯片、CREE公司的WB類芯片、倒裝焊類芯片、表面粗化芯片、ITO類芯片等等。

　　選擇芯片后，將芯片發出的光更加高效地萃取和導出可以進一步提高LED的發光效率。光的萃取方面，若出現出光通道和芯片表面接合物質的折射率與芯片發光層的折射率相差較大的情況，會導致芯片表面的全反射臨界角偏小，芯片發出的光只有部分能夠被有效利用，部分光因全反射的原因而被困在芯片內部，從而導致萃光效率較低，進而影響到LED的發光效率。

　　為了有效提升萃光效率，需要考慮與芯片表面接合物質的折射率和芯片表面材料的折射率盡量匹配。若能夠用高折射率的柔性硅膠材料作與芯片表面接合，則能夠提升萃光效率，并且讓鍵合引線以及芯片都得到良好的應力保護。此外，倒裝芯片封裝的LED的出光通道折射率匹配程度要優于正裝芯片，因此出光效率更高。

　　圖1 光線在不同介質界面的折射和反射

　　(五度易鏈行研中心)

　　光的導出方面，需要設計良好的出光通道，使光能夠高效地導出到LED管體外。其中涉及到反射腔體和透鏡的設計、出光通道中各種不同材料的接合界面設計和折射率的匹配以及盡可能減少出光通道中不必要的光吸收和泄漏現象。此外，還需要選擇高透光率、折射率匹配良好、抗UV、防黃變、溫度耐受能力高以及應力特性良好的出光通道材料。

　　熒光粉的使用方面，熒光粉的使用是否合理對LED照明影響較大。傳統方法是把熒光膠全部注滿反射杯，這會導致無法保障涂布的均勻性，而且會形成熒光粉的漫射分布，引起光泄漏，影響光色品質并造成LED光效降低，因而可以采用熒光粉薄膜式涂布的方法解決該問題。首先高受激轉換效率的熒光粉要與芯片波長相匹配，其次要選擇合適的載體膠調配熒光粉并采取良好的涂布方式均勻、有效地覆蓋在芯片的表面及四周，以達到良好的效果。

　　圖2 傳統涂布和薄膜式涂布區別

　　(五度易鏈行研中心)

　　熱阻的降低方面，LED自身的發熱會導致芯片的結溫升高，從而讓芯片的發光效率出現下降。功率型LED封裝可以采取優良的散熱技術，降低封裝結構的熱阻，使LED內部的熱量可以被盡快的導出和消散，從而降低芯片的結溫，提高其發光效率，保障LED照明的發光效率。

　　2、改善LED的光學特性

　　改善LED的光學特性，可以從調控光強的空間分布以及改善色溫與顯色性兩方面來進行。

　　相比傳統光源，LED照明的光的指向性更強，可以通過控制指向性來提升照明的效率，達到更好地照明效果。首先要根據芯片發光的分布特點以及LED最終光強分布的要求設計出光通道。其次是要改善光色均勻性，其工藝是把載體膠和熒光粉混合后涂布到芯片上，目前生成LED白光最常用的技術路線是“藍色芯片+黃色熒光粉”。在實際操作中，要把握熒光粉的涂布量、均勻性存在一定難度，困難會因為操作問題致使白光顏色不均勻，需要通過設計出光通道、對調配熒光膠的工藝進行改進、合理選擇熒光粉粒度大小、把握載體膠粘度特性以及改良熒光膠涂布的方法與形式等途徑來改善光色均勻性。

　　此外由于傳統白光LED的色溫調控較難，顯色性不佳(Ra<80)，與照明光源的要求存在差距，因此還要改善色溫與顯色性。傳統白光LED即使可以生成低色溫(2700K-500K)的白光，也會出現光色不正、顯色性差的現象。解決這一問題的關鍵在于熒光粉的技術，可以通過添加紅色熒光粉改善白光的光色和顯色性;還可以通過盡量選擇短波長的藍色芯片(λD<460nm)、選擇含有可以彌補白光LED發光譜線缺陷的熒光粉以及改善熒光粉的涂布技術等方法改善白光LED在低色溫區的顯色性。

　　3、提高LED的單燈光通量和輸入功率

　　LED照明的單燈光通量偏小使得其在應用及推廣存在一定的局限;其輸入功率也偏小，需要較多的外圍應用電路配合。因此LED照明要得到推廣，必須提高LED的單燈光通量以及輸入功率。

　　最直接的途徑是在輸入功率一定的情況下提高LED的發光效率，從而獲取更大單燈光通量，而最常用的方法是多芯片高密度集成化封裝功率型LED。此外，采用大面積芯片封裝LED以及加大工作電流也可以達到該目的。在以上技術路徑中，散熱技術十分重要。提高LED的散熱能力，進而降低熱阻才是根本保障。

　　除了上述因素外，價格高也是LED照明推廣過程中的瓶頸。就封裝技術而言，LED要降低成本，必須解決成熟可行的技術路線;簡單可靠、易于產業化生產的工藝方法;通用化的產品設計;高的產品性能和可靠性;高的成品率等問題。

　　結語

　　在LED眾多的封裝技術中，功率型LED封裝技術有著良好的應用前景。功率型LED封裝技術的發展，可以進一步提高LED的發光效率、單燈光通量以及輸入功率，改善LED的光學特性，對LED照明行業的發展具有重要意義。