具體而言，大功率LED封裝的關(guān)鍵技術(shù)包括：一、低熱阻封裝工藝對于現有的LED光效水平而言，由于輸入電能的80％左右轉變成為熱量，且LED芯片面積小，因此，芯片散熱是LED封裝必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。主要包括芯片布置、封裝材料選擇(基板材料、熱界面材料)與工藝、熱沉設計等。
LED封裝熱阻主要包括材料(散熱基板和熱沉結構)內部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產(chǎn)生的熱量，并傳導到熱沉上，實(shí)現與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括硅、金屬(如鋁，銅)、陶瓷(如，AlN，SiC)和復合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做襯底，將1mm芯片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝熱阻，提高了發(fā)光功率和效率；LaminaCeramics公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖2(a)，并開(kāi)發(fā)了相應的LED封裝技術(shù)。該技術(shù)首先制備出適于共晶焊的大功率LED芯片和相應的陶瓷基板，然后將LED芯片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護電路、驅動(dòng)電路及控制補償電路，不僅結構簡(jiǎn)單，而且由于材料熱導率高，熱界面少，大大提高了散熱性能，為大功率LED陣列封裝提出了解決方案。德國Curmilk公司研制的高導熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板(AlN或)和導電層(Cu)在高溫高壓下燒結而成，沒(méi)有使用黏結劑，因此導熱性能好、強度高、絕緣性強，如圖2(b)所示。其中氮化鋁(AlN)的熱導率為160W/mk，熱膨脹系數為(與硅的熱膨脹系數相當)，從而降低了封裝熱應力。
研究表明，封裝界面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理界面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下接觸良好的界面在高溫下可能存在界面間隙，基板的翹曲也可能會(huì )影響鍵合和局部的散熱。改善LED封裝的關(guān)鍵在于減少界面和界面接觸熱阻，增強散熱。因此，芯片和散熱基板間的熱界面材料(TIM)選擇十分重要。LED封裝常用的TIM為導電膠和導熱膠，由于熱導率較低，一般為0、5-2、5W/mK，致使界面熱阻很高。而采用低溫或共晶焊料、焊膏或者內摻納米顆粒的導電膠作為熱界面材料，可大大降低界面熱阻。
二、高取光率封裝結構與工藝在LED使用過(guò)程中，輻射復合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的損失，主要包括三個(gè)方面：芯片內部結構缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率差引起的反射損失；以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線(xiàn)無(wú)法從芯片中出射到外部。通過(guò)在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于芯片和空氣之間，從而有效減少了光子在界面的損失，提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對芯片進(jìn)行機械保護，應力釋放，并作為一種光導結構。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩定性好，流動(dòng)性好，易于噴涂。為提高LED封裝的可靠性，還要求灌封膠具有低吸濕性、低應力、耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹(shù)脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩定性好，應力小，吸濕性低等特點(diǎn)，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹(shù)脂，在大功率LED封裝中得到廣泛應用，但成本較高。研究表明，提高硅膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來(lái)的光子損失，提高外量子效率，但硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著(zhù)溫度升高，硅膠內部的熱應力加大，導致硅膠的折射率降低，從而影響LED光效和光強分布。
熒光粉的作用在于光色復合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發(fā)光效率、轉換效率、穩定性(熱和化學(xué))等，其中，發(fā)光效率和轉換效率是關(guān)鍵。研究表明，隨著(zhù)溫度上升，熒光粉量子效率降低,出光減少，輻射波長(cháng)也會(huì )發(fā)生變化，從而引起白光LED色溫、色度的變化，較高的溫度還會(huì )加速熒光粉的老化。原因在于熒光粉涂層是由環(huán)氧或硅膠與熒光粉調配而成，散熱性能較差，當受到紫光或紫外光的輻射時(shí)，易發(fā)生溫度猝滅和老化，使發(fā)光效率降低。此外，高溫下灌封膠和熒光粉的熱穩定性也存在問(wèn)題。由于常用熒光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1、85，而硅膠折射率一般在1、5左右。由于兩者間折射率的不匹配，以及熒光粉顆粒尺寸遠大于光散射極限(30nm)，因而在熒光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。通過(guò)在硅膠中摻入納米熒光粉，可使折射率提高到1、8以上，降低光散射，提高LED出光效率(10％-20％)，并能有效改善光色質(zhì)量。
傳統的熒光粉涂敷方式是將熒光粉與灌封膠混合，然后點(diǎn)涂在芯片上。由于無(wú)法對熒光粉的涂敷厚度和形狀進(jìn)行精確控制，導致出射光色彩不一致，出現偏藍光或者偏黃光。而Lumileds公司開(kāi)發(fā)的保形涂層(Conformalcoating)技術(shù)可實(shí)現熒光粉的均勻涂覆，保障了光色的均勻性，如圖3(b)。但研究表明，當熒光粉直接涂覆在芯片表面時(shí)，由于光散射的存在，出光效率較低。有鑒于此，美國Rensselaer研究所提出了一種光子散射萃取工藝(ScatteredPhotonExtractionmethod，SPE)，通過(guò)在芯片表面布置一個(gè)聚焦透鏡，并將含熒光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效(60％)，如圖3(c)。
目前，高亮度LED器件要代替白熾燈以及高壓汞燈，必須提高總的光通量，或者說(shuō)可以利用的光通量。而光通量的增加可以通過(guò)提高集成度、加大電流密度、使用大尺寸芯片等措施來(lái)實(shí)現。而這些都會(huì )增加LED的功率密度，如散熱不良，將導致LED芯片的結溫升高，從而直接影響LED器件的性能(如發(fā)光效率降低、出射光發(fā)生紅移，壽命降低等)。多芯片陣列封裝是目前獲得高光通量的一個(gè)最可行的方案，但是LED陣列封裝的密度受限于價(jià)格、可用的空間、電氣連接，特別是散熱等問(wèn)題。由于發(fā)光芯片的高密度集成，散熱基板上的溫度很高，必須采用有效的熱沉結構和合適的封裝工藝。常用的熱沉結構分為被動(dòng)和主動(dòng)散熱。被動(dòng)散熱一般選用具有高肋化系數的翅片，通過(guò)翅片和空氣間的自然對流將熱量耗散到環(huán)境中。該方案結構簡(jiǎn)單，可靠性高，但由于自然對流換熱系數較低，只適合于功率密度較低，集成度不高的情況。對于大功率LED封裝，則必須采用主動(dòng)散熱，如翅片＋風(fēng)扇、熱管、液體強迫對流、微通道致冷、相變致冷等。
在系統集成方面，臺灣新強光電公司采用系統封裝技術(shù)(SiP),并通過(guò)翅片＋熱管的方式搭配高效能散熱模塊，研制出了72W、80W的高亮度白光LED光源，如圖5(a)。由于封裝熱阻較低(4、38℃/W),當環(huán)境溫度為25℃時(shí)，LED結溫控制在60℃以下，從而確保了LED的使用壽命和良好的發(fā)光性能。而華中科技大學(xué)則采用COB封裝和微噴主動(dòng)散熱技術(shù)，封裝出了220W和1500W的超大功率LED白光光源，如圖5(b)。
五、封裝可靠性測試與估LED器件的失效模式主要包括電失效(如短路或斷路)、光失效(如高溫導致的灌封膠黃化、光學(xué)性能劣化等)和機械失效(如引線(xiàn)斷裂，脫焊等)，而這些因素都與封裝結構和工藝有關(guān)。LED的使用壽命以平均失效時(shí)間(MTTF)來(lái)定義，對于照明用途，一般指LED的輸出光通量衰減為初始的70％(對顯示用途一般定義為初始值的50％)的使用時(shí)間。由于LED壽命長(cháng)，通常采取加速環(huán)境試驗的方法進(jìn)行可靠性測試與估。測試內容主要包括高溫儲存(100℃，1000h)、低溫儲存(－55℃，1000h)、高溫高濕(85℃/85％，1000h)、高低溫循環(huán)(85℃～－55℃)、熱沖擊、耐腐蝕性、抗溶性、機械沖擊等。然而，加速環(huán)境試驗只是問(wèn)題的一個(gè)方面，對LED壽命的預測機理和方法的研究仍是有待研究的難題。
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