1.2 LED的封装与应用
1.2.1 LED的封装材料
所谓封装，就是将LED芯片用绝缘的塑料或陶瓷材料打包使芯片与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降，封装后的芯片更便于安装和运输。封装技术至关重要，因为只有封装好的产品才能成为终端产品，才能为用户所用，而且封装技术的好坏直接影响到产品自身性能的发挥，可靠的封装技术是产品走向实用化、走向市场的必经之路。
1.LED荧光粉
荧光粉是通过吸收电子线、X射线、紫外线、电场等的能量后，将其中一部分能量转化成可视效率较高的可见光并输出（发光）的物质。荧光粉吸收LED发出的蓝光后，可转化为绿色、黄色或红色的光输出。
荧光粉属无机化合物，其一般为1μm（微米）至数十微米的粉末状颗粒。为获得荧光物质，一般在被称为母体的适当化合物A中添加被称为激活剂（也称发光中心）的元素B，通常用符号A∶B来表示荧光粉的种类。
LED使用的荧光粉，按发光颜色可分为红、绿、蓝；按荧光粉组成基质可分为硅酸盐、氯硅酸盐、铝酸盐、氮氧化物、氮化物、钨酸盐、钼酸盐、硫氧化物等，目前主要使用的是硅酸盐或氮氧化物绿粉、YAG黄粉、氮化物红粉。
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目前采用荧光粉产生白光共有三种方式：蓝光LED芯片配合黄色荧光粉；蓝光LED芯片配合红色、绿色荧光粉；UV-LED芯片配合红、绿、蓝三基色荧光粉。不同荧光粉产生白光LED的优缺点比较见表1-3。
表1-3 不同荧光粉产生白光LED的优缺点比较
2.主剂材料
LED封装的主剂材料有环氧树脂、活性稀释剂、消泡剂、调色剂和脱模剂，见表1-4。
表1-4 LED封装的主剂材料
3.固化剂材料
LED封装的固化剂材料有甲基六氢苯酐、促进剂、抗氧剂，见表1-5。
表1-5 LED封装的固化剂
4.陶瓷材料
由于LED发出的短波长光中的一部分会造成树脂老化等问题，陶瓷材料成为解决这一问题的理想材料。
陶瓷材料可使用在搭载LED芯片的衬底上。陶瓷材料的防热性能很好，具有几乎不会被光老化的特点。此外，利用其绝缘性能高的优点，在陶瓷多层衬底的积层内部进行配线的陶瓷衬底也被用于了LED产品。陶瓷衬底正被广泛地应用于“倒装焊芯片”或“大功率型芯片”的高效芯片LED光源上。
此外，陶瓷材料因很少会扰乱LED芯片的发光（波长特征），因此有望通过陶瓷材料稳定光线，以控制光偏移。
近年来的研究发现陶瓷材料不仅可以用于衬底，而且还可以用于衬底与反射器一体的封装。
5.封装胶水
LED封装胶水一般采用环氧树脂A、B胶，其主要成分为电子级、低粘度环氧树脂和助剂、酸无水物组成。使用时，A、B胶的配胶比例一定要掌握好，并混合搅拌，正确控制固化及老化温度，使AB胶固化完全。
1.2.2 LED的封装形式
随着LED芯片性能、发光颜色、外形尺寸和安装方式的不断更新进步，以及应用需求的不断增加，LED的封装技术也在不断推陈出新，如图1-8所示。
1.引脚式封装
LED引脚式封装是最先研发成功投放市场的封装结构，一般用于电流较小（20～30mA）、功率较低（小于0.1W）的LED封装。它采用引线架作各种封装外形的引脚，典型的传统LED安置在能承受0.1W输入功率的包封内，其90%的热量是由负极的引脚架散发至PCB板，再散发到空气中。
图1-8 LED封装形式的发展
目前引脚式LED的设计已相对成熟，品种数量繁多，技术成熟度较高，封装内结构与反射层仍在不断改进，被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案，但在衰减寿命、光学匹配、失效率等方面存在一定的问题，从而制约了它的发展。
沿袭小功率DIP LED封装思路的大尺寸环氧树脂封装，如图1-9所示。
图1-9 LED直插式封装
2.食人鱼式封装
食人鱼封装是一种正方形的、透明树脂封装形式，负极处有个缺脚。食人鱼LED属于散光型的LED，发光角度大于120°，发光强度很高，而且能承受更大的功率。
食人鱼封装模粒的形状也是多种多样的，有ϕ3mm圆头和ϕ5mm圆头，也有凹型形状的平头形状。根据出光角度的要求，可选择各种封装模粒。
食人鱼封装LED的散热好，相对ϕ5mm的普通LED，其光衰小、寿命长，因此其使用寿命比较长，这样可以节省维修费用。这种封装方式的缺点是体积要比普通的5mm LED大一点，由于发光角度大，若用于制作全彩的RGB混光，效果不如5mm草帽状的LED好。
食人鱼式环氧树脂封装，如图1-10所示。
图1-10 食人鱼式封装
3.铝基板（MCPCB）式封装
采用铝基印制电路板封装，可较好地解决大功率LED的散热问题，提高了LED的工作稳定性和可靠性。如图1-11所示，LED的底部散热窗口采用回流焊方式直接固定在绝缘层上，通过立体长条形的铝基板直接散热，LED仍然用两根电极引出，与电路层焊接在一起。
图1-11 铝基板（MCPCB）式封装
4.TO式封装
TO（Transistor Out-line）的中文意思是“晶体管外形”，这是一种比较早期的晶体管封装规格。近年来，借鉴大功率晶体管封装思路，采用TO式封装LED产品也占一定的市场份额，如图1-12所示。
5.表面贴装式封装
表面贴装（SMD）封装技术主要是利用焊锡熔融再凝固的方式安装在器件载板上，形成SMD-LED产品。这样的LED产品在质量上有很大提升，更便于集成化，且生产效率很高。近些年，SMD-LED成为一个发展热点，由于其应用设计灵活，很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题；采用更轻的PCB板和反射层材料，在显示反射层需要填充的环氧树脂更少；并去除较重的碳钢材料引脚，通过缩小尺寸，降低重量，可轻易地将产品重量减轻一半；尤其是顶部发光TOP型SMD处在不断发展之中，封装支架尺寸、封装结构设计、材料选择、光学设计、散热设计等不断创新，具有广阔的技术潜力，所以SMD-LED有加速发展的趋势，并逐渐替代引脚式LED。
图1-12 TO式封装
虽然表面贴装封装技术在封装技术中占有一定的份额，并有加速发展的趋势，但表面贴装过程要用到大量的焊球和焊膏。一直以来，铅锡合金在焊料中占主导地位，由于铅及铅化合物属剧毒物质，对人体及牲畜具有极大的毒性，而且会造成严重的污染，所以研发使用优质低价的无铅焊料成为表面贴装封装技术发展道路上的一个势垒。功率型LED表面贴装（SMD）式封装，如图1-13所示。
图1-13 SMD式封装
6.功率型封装
国内功率型LED封装早在20世纪90年代就开始，它主要应满足以下两点要求：一是封装结构要有高的发光效率，二是热阻要尽可能低，这样才能保证功率LED的光电性能和可靠性。
功率型LED分为小功率LED和大功率LED两种。由于小功率LED具有光衰强、安装成本高等缺点及对LED大的耗散功率、大的发热量和高的发光效率等要求的提出，使大功率LED成为未来照明的核心，世界各大公司投入很大力量对其封装技术进行研究开发。国外在功率型封装这方面的研究成果比较突出，5W系列、Luxeon系列、Norlux系列产品在LED行业具有很强的实力。
流明公司的大功率LED封装，如图1-14所示。
图1-14 流明公司的大功率LED封装
由于功率型大尺寸芯片制造还处于发展之中，使得功率型LED的结构、光学、材料、参数设计也处于发展之中，不断有新型的设计出现，而且大功率LED器件的封装方法和封装材料并不能简单地套用传统的小功率LED器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率、大的发热量以及高的发光效率，对LED封装工艺、封装设备和封装材料提出了新的更高的要求。所以，可以说功率型LED的设计是一片新天地，而功率型LED封装技术也将会成为封装技术的主流。
7.多芯片集成化封装（MCPCB）
大尺寸芯片封装还存在发光的均匀和散热等问题亟待解决。为避免这些问题，可采用小尺寸芯片集成的方法来增加单管最大可发光通量。由于小芯片技术相对成熟，芯片内量子效率的提高导致产生的热量减少，芯片有源层的有效电流密度将大幅上升，单颗芯片效率的提高使多芯片集成化封装成为可能。
MCPCB封装是近年来发展较快的一种先封装技术，它把若干个芯片组装在一块电路板上，构成多芯片组件，它是LED组件功能实现系统级的基础。所有芯片都布置在一个平面上，其基板内互连线采用三维方式布置。集成化封装LED器件的热聚集效应使LED器件的整体导热效率变得更好，如图1-15所示。
8.数显式封装
LED数码管以发光二极管作为发光单元，其封装方法如图1-16所示。
9.QFN封装
四侧无引脚扁平封装（QFN），如图1-17所示，陶瓷无引线片式LED现已在一些手机及笔记本电脑应用。
图1-15 MCPCB集成化封装
图1-16 数显式封装
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以上这些封装形式各有优缺点，对照明领域而言，大都只适用于特殊照明，是走向通用照明的过渡性产品。用于通用照明的LED应该有更好的解决方案。
1.2.3 大功率LED的散热措施
1.大功率LED的散热路径
大功率LED在结构设计上是十分重视散热的。图1-18a所示为流明公司K2系列的内部结构、图1-18b所示为NICHIA公司NCCW022的内部结构。从这两图可以看出：在管芯下面有一个尺寸较大的金属散热垫，它能使管芯的热量通过散热垫传到外面去。
图1-17 QFN式封装
大功率LED是焊在印制电路板（PCB）上的，如图1-19所示。散热垫的底面与PCB的敷铜面焊在一起，以较大的敷铜层作散热面。为提高散热效率，采用双层敷铜层的PCB，其正反面图形如图1-20所示，这是一种最简单的散热结构。
图1-18 大功率LED的结构
热是从温度高处向温度低处散热。大功率LED主要的散热路径是：管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环境空气。若LED的结温为TJ，环境空气的温度为TA，散热垫底部的温度为Tc（TJ＞Tc＞TA），散热路径如图1-21所示。
图1-19 LED与PCB焊接图
图1-20 双层敷铜层散热结构
图1-21 大功率LED散热路径图
在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC（LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA，则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为：
RJA=RJC+RCB+RBA各热阻的单位是℃/W。
我们可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。如果LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起，则RCB=0，则上式可写成：
RJA=RJC+RBA
2.大功率LED的散热机构
大功率LED散热机构的形式可分为主动散热和被动散热两大类，见表1-6。
表1-6 大功率LED散热机构的形式
（续）
（续）
图1-22 均温板与热管传热方式比较
图1-23 LED回路热管散热方式
知识窗
LED的热性能
LED的发光原理是在半导体的禁带中，电子和空穴对的辐射复合。但是注入LED器件的电能中，仅有约15%的电子和空穴为辐射复合，发出光子，而大约85%的电能则转化为热能。LED的热性能直接影响其发光效率、波长、正向压降、反向击穿电流和器件的使用寿命等。传统的ϕ3mm和ϕ5mm的LED器件由于驱动电流小、发热少，热性能影响不显著。近年来，随着功率型LED器件的迅速发展，LED热性能的影响越来越明显，受到人们的普遍关注。
LED的热性能主要是指结温和热阻。结温是指PN结的温度，LED的热阻一般是指PN结到壳体表面之间的热阻。
LED的可靠性受温度的影响很大，使用温度高则故障率也高。其原因不在LED芯片本身，而是由于封装树脂或树脂罩，因温度越高老化越快所致。
LED没有白炽灯、荧光灯耐热，使用LED时需注意温度不宜过高，特别要注意的是在LED芯片的周边不能配置电阻等发热物体。若LED的温度超过了耐热温度，不仅光强迅速降低，而且还会发生芯片连接金线的断线，固定芯片的导电银胶的剥落等现象，甚至可能灭灯。如LED需在高温下使用时，应根据实际安装情况加以判断，并认真对待。