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摘要：本文重点介绍了陶瓷基板模封硅胶、COB封装、高压LED、Remote-phosphor LED、倒装芯片封装技术等几种LED的封装趋势，分析了各技术方案的优缺点。
关键词：封装 硅胶 COB LED 远程荧光体
1 概述
根据我国国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)的数据显示，2011年我国LED行业总规模达到1560亿元，同比增长30%，预计到2015年，半导体照明将占据通用照明市场30%的份额，半导体照明产业规模将达到5000亿元。同时，市场的竞争也愈发激烈，各LED厂不断更新产品技术，不断推出新产品，以适应日益发展的应用需求。
2 技术趋势
对于LED封装来说，其关键技术归根结底在于如何在有限的成本范围内尽可能高的提取芯片发出的光，同时降低封装热阻，提高封装可靠性。围绕着这些问题，如何进行材料选择、如何进行结构设计以及如何开展工艺实施等，使LED满足各种应用的要求，成为LED封装业界研究的热点。纵观目前的LED封装行业，陶瓷基板模封硅胶、多芯片集成封装技术（即COB LED）、高压LED应用技术等，因在技术上有其独特的优点，已成为业内的一些趋势。下面我们就来谈谈这些封装技术。
2.1 陶瓷基板模封硅胶 2007年左右，Lumileds首次推出了陶瓷基板模封硅胶产品Luxeon Rebel系列功率型LED，其尺寸仅为3mm×4.5mm×2.1mm，随后，Cree和Osram也推出了同类封装产品。发展到今天，这个家族在产品种类上已经非常丰富，包含了多种规格的系列产品。此类产品的特点是LED芯片直接装配于陶瓷基板上，通过molding工艺将硅胶半包封于基板上形成透镜，陶瓷基板分氧化铝及氮化铝两种材料，表面覆铜形成线路及电极焊盘。因陶瓷基板吸水性小，可较好的解决金属框+PPA产品水汽从缝隙进入的问题；其次，陶瓷基板的耐温性能好，热膨胀系数与芯片比较接近，大大提高了产品的可靠性，同时，陶瓷表面的铜箔设计比较灵活，极大方便了产品的结构设计；第三，器件尺寸可做的比较小，SMD封装，符合小型化、贴片化的应用趋势。另外，封装时为百颗级以上的产品连成整片进行，比较适合大批量的生产作业，可提高生产效率，降低产品的生产成本。这类产品的推广挑战主要在于成本，一是高性能陶瓷材料的价格比较高，特别是氮化铝陶瓷，目前陶瓷基板在LED封装中也仅在瓦级以上的产品上广泛应用；二是设备的投入相对会高一些，如硅胶molding设备等。
2.2 芯片集成封装：COB LED技术 传统做法是将LED芯片装配于引线框架进行封装成分立的器件，再将LED器件焊接于印刷电路板（PCB）上，形成光源模组。这种做法的缺点主要有三方面：一是LED芯片PN结发出的热在流经引线框架后，还需经过焊接层（如锡层或导热胶层等）、PCB层，才能到达灯具的散热器，而锡层或导热胶层以及普通FR4 PCB或铝基板绝缘层的导热系数相对较低，导致整个模组的热阻非常高，无法及时将PN结的热散出去。第二是还需经过组装焊接这道工序，增加了工艺难度及成本。另外一个缺点是这种形式的光源集成度无法做得很高。COB LED（Chip on Board）是直接将单颗或多颗LED芯片装配于基板上的集成封装产品，它可以较好的解决上述传统做法的几个缺点，因此，目前在球泡灯等灯具上已有广泛的应用。如图一所示，结构上主要包含基板、LED芯片、封装硅胶等材料。采用的基板主要为陶瓷基板或金属基板（常见的是铝基板），陶瓷基板可在表面直接覆铜，实现电路及焊盘等功能，价格相对铝基板会贵一些，但因陶瓷基板绝缘性好，在灯具应用时可相对容易的实现安规设计，减少电路成本。铝基板表面也需覆铜以实现电路及焊盘层，两层之间需要绝缘胶粘结和隔离，绝缘胶的导热性能及绝缘性对铝基板性能的影响较大，考虑散热，一般需要将装片区的绝缘层挖去，直接露出铝板部分，铝板表面需做抛光或电镀处理。价格上铝基板相对比较有优势，但在灯具安规设计时需要考虑做好电绝缘设计，同时其热膨胀系数相对陶瓷来说比较大，与芯片衬底的热膨胀系数对比较大。芯片部分可根据光源的功率及光通量要求选择不同的尺寸，从小功率芯片到中功率芯片到大功率芯片，都可选择，相应的，小功率芯片因为打线及装片的数量较多，对生产工艺的要求较高，具体选择哪种，需综合评估成本、光效及光源发光均匀性要求等因素。荧光胶及硅胶的封装方式目前有几种：一是利用设备及模具直接molding成形，此方法成形一致性好，成形外观形式可多样，但设备及模具投入高。方法二是在发光芯片周围先点一圈围坝胶，利用点胶机点荧光胶。在此基础上，另一方法是不点围坝胶，而是直接采用专用的COB胶，利用胶的本身特性及表面张力，实现涂覆面积及形状的控制。与第一种方法比，后两种在设备投入上比较小，但成形的一致性及胶的形状上比较欠缺。
2.3 高压LED的应用 从原理上讲，高压LED并不是一个全新的产品，其基本思路是将多颗芯片串联起来使用，在相同功率的情况下，要达到相同的光通量，可以选用大电流低电压的芯片方案，也可以使用高电压低电流（即高压LED）的芯片方案，这两种方案可以根据具体的要求及使用背景来选择。在高电压灯具外形尺寸有限制的情况下，如球泡灯等，考虑灯具的散热及光分布，经常留给驱动板的放置空间非常有限，为了将驱动板尽可能的做小，需要简化驱动线路，缩小元器件的尺寸，此时使用高压LED是一个很不错的选择。目前市场上高压LED的实现方式有两种，一种是在封装阶段利用键合技术将多颗小芯片串联起来，如Cree XM-L高压LED产品，这种技术的优点是LED芯片可选的规格比较多，芯片排布方式及串联颗数均可自由选择。另一种是在芯片制作阶段用电极方式将多颗小芯片串联起来，再将多颗串联在一起的芯片当做一大芯片切割使用，这种芯片封装的LED集成度相对高，但芯片供应商目前相对较少，除了台湾晶电及国内一两家外，其他鲜有厂家可供。
2.4 远程荧光粉体结构：Remote-phosphor LED 远程荧光粉体LED的设计构思是将蓝光LED光源与荧光粉分开放置，LED发出的蓝光在经过反射器、散射器等混光后均匀的入射到荧光粉层上，最终发出均匀白光的一种LED光源形式，如图二所示，为利用Remote-phosphor设计的一种LED球泡灯。这种Remote-phosphor LED技术多用于一些灯具，如筒灯、球泡灯、蜡烛灯等，优点有几方面：一是荧光粉体远离LED芯片，荧光粉不易受PN结发热的影响，特别是一些硅酸盐类的荧光粉，易受高温高湿的影响，在远离热源后可减少荧光粉热猝灭几率，延长光源的寿命。同时，传统的做法荧光粉覆盖在芯片表面，因荧光粉有一定的颗粒度，使得芯片发出的光部分被荧光粉遮盖，无法跑出，而这种荧光粉远离芯片设计的结构有利于光的取出，提高光源发光效率。还有，传统白光LED受荧光胶涂覆精度及蓝光芯片本身光强、波长等参数的影响，色坐标的离散性比较大，如3528产品一般批量的离散性为Δx=0.02-0.03，Δy=0.04-0.05，随涂覆设备精度及涂覆工艺的影响差异较大。而Remote-phosphor LED在蓝光阶段通过反射、散射等已经把各部分的蓝光进行了一定的混光，入射到荧光粉体时已相对均匀，且荧光粉体本身比较大，个体之间的差异相对较小，故蓝光在经过荧光粉体后出射的是均匀的白光，也就是说灯具的发光色空间分布是均匀的，且不同灯具间的颜色一致性也是能保证的。从图中也可以看到，这种灯具的结构会相对比较复杂一些，荧光粉的用量与传统方案相比也会多一些，但整个灯具的成本是否上升需综合评估各部分的情况。
2.5 倒装芯片封装技术 倒装芯片封装是LED业界的关键技术及发展方向之一。常见的用蓝宝石作为衬底的蓝光芯片制作工艺比较简单，目前技术也相对比较成熟，但因蓝宝石衬底的导热能力不理想，由此便产生了垂直结构的蓝光芯片，这种芯片是将传统蓝宝石衬底的芯片倒过来键合在导热能力较好的硅衬底或金属等衬底上，再将蓝宝石衬底激光剥离。这种结构的芯片解决了散热瓶颈问题，但工艺复杂，特别是衬底转换这个过程实现难度大，生产合格率也较低。倒装芯片封装的结构示意如图三，在将蓝宝石衬底芯片倒过来后，利用种植金球等工艺将芯片焊接在陶瓷等基板上，因为金球已将芯片的正负极连接至基板的相应电极，故可省去打线的工艺，同时，因为没有金丝的位置影响，白光LED产品的荧光粉涂覆工艺相对容易实施，特别是荧光粉喷涂等工艺，在没有金丝的影响下，其产品的光色一致性都将得到大大的提高。这种封装技术的难点在于芯片与基板的键合强度，如工艺得不到保证的话，芯片容易从基板脱落，造成失效。
3 结束语
LED封装在整个LED照明产业起着承上启下的关键作用，整个封装涉及到光学、热学、电学、色度学、材料学等多个学科的知识。陶瓷基板模封硅胶技术？或者COB技术？还是远程荧光粉等其他技术？最终的选择还是在于市场导向。应用市场的多样化，决定了产品的多元化，通过这些封装技术的研究，达到低成本、高光效的最终目标，未来，也肯定还有其他形式的封装技术。
参考文献：
[1]http://lights.ofweek.com/2012-02/ART-220001-8420-285
97398.html.
[2]刘一兵，丁洁.功率型LED封装技术[J].液晶与显示.2008(04).
[3]李漫铁.我国LED封装业的现状与未来发展[J].中国科技财富.2010(09).
关键词：封装 硅胶 COB LED 远程荧光体
1 概述
根据我国国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)的数据显示，2011年我国LED行业总规模达到1560亿元，同比增长30%，预计到2015年，半导体照明将占据通用照明市场30%的份额，半导体照明产业规模将达到5000亿元。同时，市场的竞争也愈发激烈，各LED厂不断更新产品技术，不断推出新产品，以适应日益发展的应用需求。
2 技术趋势
对于LED封装来说，其关键技术归根结底在于如何在有限的成本范围内尽可能高的提取芯片发出的光，同时降低封装热阻，提高封装可靠性。围绕着这些问题，如何进行材料选择、如何进行结构设计以及如何开展工艺实施等，使LED满足各种应用的要求，成为LED封装业界研究的热点。纵观目前的LED封装行业，陶瓷基板模封硅胶、多芯片集成封装技术（即COB LED）、高压LED应用技术等，因在技术上有其独特的优点，已成为业内的一些趋势。下面我们就来谈谈这些封装技术。
2.1 陶瓷基板模封硅胶 2007年左右，Lumileds首次推出了陶瓷基板模封硅胶产品Luxeon Rebel系列功率型LED，其尺寸仅为3mm×4.5mm×2.1mm，随后，Cree和Osram也推出了同类封装产品。发展到今天，这个家族在产品种类上已经非常丰富，包含了多种规格的系列产品。此类产品的特点是LED芯片直接装配于陶瓷基板上，通过molding工艺将硅胶半包封于基板上形成透镜，陶瓷基板分氧化铝及氮化铝两种材料，表面覆铜形成线路及电极焊盘。因陶瓷基板吸水性小，可较好的解决金属框+PPA产品水汽从缝隙进入的问题；其次，陶瓷基板的耐温性能好，热膨胀系数与芯片比较接近，大大提高了产品的可靠性，同时，陶瓷表面的铜箔设计比较灵活，极大方便了产品的结构设计；第三，器件尺寸可做的比较小，SMD封装，符合小型化、贴片化的应用趋势。另外，封装时为百颗级以上的产品连成整片进行，比较适合大批量的生产作业，可提高生产效率，降低产品的生产成本。这类产品的推广挑战主要在于成本，一是高性能陶瓷材料的价格比较高，特别是氮化铝陶瓷，目前陶瓷基板在LED封装中也仅在瓦级以上的产品上广泛应用；二是设备的投入相对会高一些，如硅胶molding设备等。
2.2 芯片集成封装：COB LED技术 传统做法是将LED芯片装配于引线框架进行封装成分立的器件，再将LED器件焊接于印刷电路板（PCB）上，形成光源模组。这种做法的缺点主要有三方面：一是LED芯片PN结发出的热在流经引线框架后，还需经过焊接层（如锡层或导热胶层等）、PCB层，才能到达灯具的散热器，而锡层或导热胶层以及普通FR4 PCB或铝基板绝缘层的导热系数相对较低，导致整个模组的热阻非常高，无法及时将PN结的热散出去。第二是还需经过组装焊接这道工序，增加了工艺难度及成本。另外一个缺点是这种形式的光源集成度无法做得很高。COB LED（Chip on Board）是直接将单颗或多颗LED芯片装配于基板上的集成封装产品，它可以较好的解决上述传统做法的几个缺点，因此，目前在球泡灯等灯具上已有广泛的应用。如图一所示，结构上主要包含基板、LED芯片、封装硅胶等材料。采用的基板主要为陶瓷基板或金属基板（常见的是铝基板），陶瓷基板可在表面直接覆铜，实现电路及焊盘等功能，价格相对铝基板会贵一些，但因陶瓷基板绝缘性好，在灯具应用时可相对容易的实现安规设计，减少电路成本。铝基板表面也需覆铜以实现电路及焊盘层，两层之间需要绝缘胶粘结和隔离，绝缘胶的导热性能及绝缘性对铝基板性能的影响较大，考虑散热，一般需要将装片区的绝缘层挖去，直接露出铝板部分，铝板表面需做抛光或电镀处理。价格上铝基板相对比较有优势，但在灯具安规设计时需要考虑做好电绝缘设计，同时其热膨胀系数相对陶瓷来说比较大，与芯片衬底的热膨胀系数对比较大。芯片部分可根据光源的功率及光通量要求选择不同的尺寸，从小功率芯片到中功率芯片到大功率芯片，都可选择，相应的，小功率芯片因为打线及装片的数量较多，对生产工艺的要求较高，具体选择哪种，需综合评估成本、光效及光源发光均匀性要求等因素。荧光胶及硅胶的封装方式目前有几种：一是利用设备及模具直接molding成形，此方法成形一致性好，成形外观形式可多样，但设备及模具投入高。方法二是在发光芯片周围先点一圈围坝胶，利用点胶机点荧光胶。在此基础上，另一方法是不点围坝胶，而是直接采用专用的COB胶，利用胶的本身特性及表面张力，实现涂覆面积及形状的控制。与第一种方法比，后两种在设备投入上比较小，但成形的一致性及胶的形状上比较欠缺。
2.3 高压LED的应用 从原理上讲，高压LED并不是一个全新的产品，其基本思路是将多颗芯片串联起来使用，在相同功率的情况下，要达到相同的光通量，可以选用大电流低电压的芯片方案，也可以使用高电压低电流（即高压LED）的芯片方案，这两种方案可以根据具体的要求及使用背景来选择。在高电压灯具外形尺寸有限制的情况下，如球泡灯等，考虑灯具的散热及光分布，经常留给驱动板的放置空间非常有限，为了将驱动板尽可能的做小，需要简化驱动线路，缩小元器件的尺寸，此时使用高压LED是一个很不错的选择。目前市场上高压LED的实现方式有两种，一种是在封装阶段利用键合技术将多颗小芯片串联起来，如Cree XM-L高压LED产品，这种技术的优点是LED芯片可选的规格比较多，芯片排布方式及串联颗数均可自由选择。另一种是在芯片制作阶段用电极方式将多颗小芯片串联起来，再将多颗串联在一起的芯片当做一大芯片切割使用，这种芯片封装的LED集成度相对高，但芯片供应商目前相对较少，除了台湾晶电及国内一两家外，其他鲜有厂家可供。
2.4 远程荧光粉体结构：Remote-phosphor LED 远程荧光粉体LED的设计构思是将蓝光LED光源与荧光粉分开放置，LED发出的蓝光在经过反射器、散射器等混光后均匀的入射到荧光粉层上，最终发出均匀白光的一种LED光源形式，如图二所示，为利用Remote-phosphor设计的一种LED球泡灯。这种Remote-phosphor LED技术多用于一些灯具，如筒灯、球泡灯、蜡烛灯等，优点有几方面：一是荧光粉体远离LED芯片，荧光粉不易受PN结发热的影响，特别是一些硅酸盐类的荧光粉，易受高温高湿的影响，在远离热源后可减少荧光粉热猝灭几率，延长光源的寿命。同时，传统的做法荧光粉覆盖在芯片表面，因荧光粉有一定的颗粒度，使得芯片发出的光部分被荧光粉遮盖，无法跑出，而这种荧光粉远离芯片设计的结构有利于光的取出，提高光源发光效率。还有，传统白光LED受荧光胶涂覆精度及蓝光芯片本身光强、波长等参数的影响，色坐标的离散性比较大，如3528产品一般批量的离散性为Δx=0.02-0.03，Δy=0.04-0.05，随涂覆设备精度及涂覆工艺的影响差异较大。而Remote-phosphor LED在蓝光阶段通过反射、散射等已经把各部分的蓝光进行了一定的混光，入射到荧光粉体时已相对均匀，且荧光粉体本身比较大，个体之间的差异相对较小，故蓝光在经过荧光粉体后出射的是均匀的白光，也就是说灯具的发光色空间分布是均匀的，且不同灯具间的颜色一致性也是能保证的。从图中也可以看到，这种灯具的结构会相对比较复杂一些，荧光粉的用量与传统方案相比也会多一些，但整个灯具的成本是否上升需综合评估各部分的情况。
2.5 倒装芯片封装技术 倒装芯片封装是LED业界的关键技术及发展方向之一。常见的用蓝宝石作为衬底的蓝光芯片制作工艺比较简单，目前技术也相对比较成熟，但因蓝宝石衬底的导热能力不理想，由此便产生了垂直结构的蓝光芯片，这种芯片是将传统蓝宝石衬底的芯片倒过来键合在导热能力较好的硅衬底或金属等衬底上，再将蓝宝石衬底激光剥离。这种结构的芯片解决了散热瓶颈问题，但工艺复杂，特别是衬底转换这个过程实现难度大，生产合格率也较低。倒装芯片封装的结构示意如图三，在将蓝宝石衬底芯片倒过来后，利用种植金球等工艺将芯片焊接在陶瓷等基板上，因为金球已将芯片的正负极连接至基板的相应电极，故可省去打线的工艺，同时，因为没有金丝的位置影响，白光LED产品的荧光粉涂覆工艺相对容易实施，特别是荧光粉喷涂等工艺，在没有金丝的影响下，其产品的光色一致性都将得到大大的提高。这种封装技术的难点在于芯片与基板的键合强度，如工艺得不到保证的话，芯片容易从基板脱落，造成失效。
3 结束语
LED封装在整个LED照明产业起着承上启下的关键作用，整个封装涉及到光学、热学、电学、色度学、材料学等多个学科的知识。陶瓷基板模封硅胶技术？或者COB技术？还是远程荧光粉等其他技术？最终的选择还是在于市场导向。应用市场的多样化，决定了产品的多元化，通过这些封装技术的研究，达到低成本、高光效的最终目标，未来，也肯定还有其他形式的封装技术。
参考文献：
[1]http://lights.ofweek.com/2012-02/ART-220001-8420-285
97398.html.
[2]刘一兵，丁洁.功率型LED封装技术[J].液晶与显示.2008(04).
[3]李漫铁.我国LED封装业的现状与未来发展[J].中国科技财富.2010(09).