封裝是LED器件不可或缺的重要組成部分，其作用主要包括：保護(hù)芯片;提高LED的出光效率并實現(xiàn)特定的光學(xué)分布;提高器件的導(dǎo)熱能力等。根據(jù)不同的應(yīng)用需要，發(fā)光二極管的芯片可以通過多種封裝方式做成不同結(jié)構(gòu)和外觀的元器件。

　　一、 常見的幾種LED封裝形式

　　最常見的封裝形式為引腳式封裝，這種技術(shù)采用引線架作為各種封裝外型的引腳，將LED芯片粘結(jié)在引線架上。芯片的正極用金絲鍵合連到另一引線架上，負(fù)極用銀漿粘結(jié)在支架反射杯內(nèi)或用金絲和反射杯引腳相連，最后頂部用環(huán)氧樹脂包封，如圖1(a)。

　　LED另一種重要的封裝形式為表面貼裝式，表面貼裝中的PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)系列已經(jīng)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)被廣泛采用。PLCC采用方形的塑料材料作為LED的外殼，將LED芯片放在頂部凹槽處，底部封以金屬片狀引腳。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，并可以進(jìn)行波峰焊或者回流焊，適合大規(guī)模生產(chǎn)的要求, 如圖1(b)。

　　隨著LED封裝技術(shù)的不斷創(chuàng)新以及國內(nèi)外節(jié)能減排政策的執(zhí)行，LED光源應(yīng)用在照明領(lǐng)域的比例日益增大，新的封裝形式不斷推出。COB(Chip on Board)正是在這種背景下推出的封裝產(chǎn)品，相比傳統(tǒng)分立式LED封裝產(chǎn)品，具備更好的一次散熱能力，高密度的光通量輸出, 如圖1(c)。

　　二、 硅基板LED封裝技術(shù)的特點(diǎn)

　　硅基板封裝是近年來LED封裝領(lǐng)域另一引人注目的技術(shù)。硅基板相對于傳統(tǒng)基板材料，具有更高的導(dǎo)熱率(130W/m·K)，可以為LED產(chǎn)品提供良好的散熱性能。硅的熱膨脹系數(shù)與LED芯片材料相一致，可以保證LED產(chǎn)品使用中可靠度和壽命的提升。另外，硅基封裝工藝與集成電路制作工藝兼容，便于滿足產(chǎn)品小型化和個性化的需求。以硅基板代替?zhèn)鹘y(tǒng)陶瓷基板，實現(xiàn)單顆LED芯片的封裝如圖2(a)所示。

　　在硅基板上容易制作互聯(lián)電路，加之硅基板良好的導(dǎo)熱性能，因此以硅為基板，可以實現(xiàn)LED芯片與驅(qū)動電路的集成，即將LED芯片與驅(qū)動電路元件，包括驅(qū)動芯片和分立元件等，封裝于單一封裝體內(nèi)，如圖2(b)所示。集成驅(qū)動封裝大大縮短了LED芯片與驅(qū)動電路間的互聯(lián)路徑，提高產(chǎn)品性能，而且減小了封裝體尺寸，更加適應(yīng)產(chǎn)品小型化的需求。同時，集成封裝簡化了傳統(tǒng)封裝/組裝的工藝流程，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。

　　應(yīng)用于照明領(lǐng)域的LED模組，除包含LED芯片和驅(qū)動電路外，還包含熒光粉材料以及光學(xué)透鏡等結(jié)構(gòu)?；谌S硅基板封裝集成技術(shù)，可將上述組件集成到一個封裝體內(nèi)，大大簡化了LED照明模塊的封裝流程，實現(xiàn)封裝小型化。如圖2(c)所示，LED芯片與驅(qū)動電路封裝在下層硅基板上，熒光粉材料制作于上層硅基板，上下兩層經(jīng)過適當(dāng)鍵合完成粘結(jié)，實現(xiàn)多層硅基板的封裝。

　　三、 三維硅基板集成方案實例

　　圖3所示為某硅基板LED集成項目實現(xiàn)的封裝樣品結(jié)構(gòu)，該封裝集成LED、驅(qū)動電路及熒光粉于硅基板上。下層硅基板上集成雙色LED芯片和驅(qū)動電路，上層填充熒光粉，可實現(xiàn)與散熱基底直接相連，并實現(xiàn)色溫可調(diào)可變，整個封裝體尺寸不足20×20mm。

　　四、集成封裝散熱分析

　　常見的LED模組通常采用的封裝形式為：分立式的LED封裝與驅(qū)動電路(包括驅(qū)動IC芯片和分立元件等)組裝到電路板上。常用的電路板包括金屬基板和FR4。為了應(yīng)對光源產(chǎn)品小型化的發(fā)展要求，更多的元件將與LED芯片集成于單一封裝體或封裝模組中，這些元件包括驅(qū)動電路元件、控制電路元件，甚至某些傳感器或通訊器件。隨著封裝尺寸進(jìn)一步減小，集成于LED封裝體內(nèi)的IC芯片，如驅(qū)動芯片、控制芯片等，將面臨散熱的考驗。LED芯片是封裝體內(nèi)的主要熱源，其工作溫度通常在100～120℃，甚至更高，而IC芯片的設(shè)計工作溫度通常在85℃左右。集成封裝相對于傳統(tǒng)電路板式組裝，LED芯片的功率對IC芯片的溫度有著更明顯的影響。原因在于硅基板的高熱導(dǎo)率，使得LED芯片與IC芯片之間更容易傳熱量，這種影響在大功率LED器件中尤為明顯。

　　控制IC芯片溫度的途徑之一是提高整個封裝體的散熱效率，如使用散熱更好的熱沉，包括改善封裝體到熱沉之間的導(dǎo)熱性能，或者增大封裝體的尺寸以提高散熱效率。但這兩種方案將增加產(chǎn)品的尺寸及成本。改善集成封裝到熱沉之間的導(dǎo)熱性能，可能需要引入新型材料。

　　五、 集成封裝成本分析

　　集成封裝的成本分析與傳統(tǒng)模組的組裝方式有很大的不同，封裝設(shè)計應(yīng)考慮以下因素：

　　由于采用圓片級的封裝形式，封裝制作時使用的加工成本被所有封裝平均承擔(dān)，在設(shè)計封裝時，盡量減小封裝的面積。

　　驅(qū)動電路也是整體成本的一個重要部分，為了降低整體成本，最好使用全集成驅(qū)動。目前市場上的全集成驅(qū)動在性能方面仍需進(jìn)一步改進(jìn)，全集成的驅(qū)動一般靈活性較差，在應(yīng)用和LED選擇上會有所限制。

　　制作封裝基板所用的集成電路加工工藝，其成本相對較高，但LED封裝所需的加工精度不高，不需要高端的半導(dǎo)體加工設(shè)備。另一方面，實現(xiàn)同一種加工，有多種加工方法可供選擇。選擇適當(dāng)?shù)?、適合大批量生產(chǎn)的加工設(shè)備，可以很大程度上降低加工成本。

　　六、 硅基板集成技術(shù)展望

　　硅基板集成技術(shù)方興未艾，發(fā)展前景廣闊，諸多新技術(shù)有待進(jìn)一步開發(fā)。由于硅基板在傳統(tǒng)IC制造中大量使用，借助于IC制造工藝可以在硅基板上直接制作LED驅(qū)動電路，如圖4所示，取代分立式的驅(qū)動元件，降低成本，簡化制作工藝。

　　更進(jìn)一步，可以在硅沉底上直接外延生長GaN材料制備LED。硅作為生長LED的襯底，具有晶格匹配好、導(dǎo)熱性高等優(yōu)點(diǎn)，是理想的LED襯底材料。以硅基板為襯底，在其上生長LED，并集成驅(qū)動電路，可以“一步式”實現(xiàn)器件生長+封裝+組裝，可以進(jìn)一步改善產(chǎn)品性能和降低成本。

　　硅基板憑借其優(yōu)良的性能，在LED集成封裝領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。同時應(yīng)看到，硅基集成技術(shù)尚有諸多技術(shù)難點(diǎn)需要突破。散熱問題對于LED產(chǎn)品的性能和可靠性至關(guān)重要，是封裝設(shè)計中首要考慮的因素。新型硅基集成工藝的開發(fā)也有很多工作要做，如何開發(fā)出低成本高效率的工藝是很多研究者努力的方向。21世紀(jì)是新材料的世紀(jì)，新材料的開發(fā)與應(yīng)用將為硅基集成技術(shù)提供有力的支撐，也必將是國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和公司關(guān)心和正在研究的方向。

作者：董明智 韋嘉 袁長安 半導(dǎo)體照明聯(lián)合創(chuàng)新國家重點(diǎn)實驗室 （本文選自《半導(dǎo)體照明》雜志2013年第4期 ）