一、前言

　　大功率LED封装由于结构和工艺复杂，并直接影响到LED的使用性能和寿命，一直是近年来的研究热点，特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。LED封装的功能主要包括：1.机械保护，以提高可靠性;2.加强散热，以降低芯片结温，提高LED性能;3.光学控制，提高出光效率，优化光束分布;4.供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制等。

　　LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展，LED封装先后经历了支架式(Lamp LED)、贴片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等发展阶段。随着芯片功率的增大，特别是固态照明技术发展的需求，对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻，提高出光效率，必须采用全新的技术思路来进行封装设计。

　　二、大功率LED封装关键技术

　　大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面，如图1所示。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从工艺兼容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与芯片设计同时进行，即芯片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等芯片制造完成后，可能由于封装的需要对芯片结构进行调整，从而延长了产品研发周期和工艺成本，有时甚至不可能。 

图1 大功率白光LED封装技术

　　具体而言，大功率LED封装的关键技术包括：

　　(一)低热阻封装工艺

　　对于现有的LED光效水平而言，由于输入电能的80%左右转变成为热量，且LED芯片面积小，因此，芯片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、封装材料选择(基板材料、热界面材料)与工艺、热沉设计等。

　　LED封装热阻主要包括材料(散热基板和热沉结构)内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括硅、金属(如铝，铜)、陶瓷(如Al2O3，AlN，SiC)和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底，将1mm芯片倒装在CuW衬底上，降低了封装热阻，提高了发光功率和效率;Lamina Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，如图2(a)，并开发了相应的LED封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED芯片和相应的陶瓷基板，然后将LED芯片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热界面少，大大提高了散热性能，为大功率LED阵列封装提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板(AlN或Al2O3)和导电层(Cu)在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强，如图2(b)所示。其中氮化铝(AlN)的热导率为160W/mk，热膨胀系数为4.0×10-6/℃(与硅的热膨胀系数3.2×10-6/℃相当)，从而降低了封装热应力。

图2(a)低温共烧陶瓷金属基板

图2(b)覆铜陶瓷基板截面示意图

　　研究表明，封装界面对热阻影响也很大，如果不能正确处理界面，就难以获得良好的散热效果。例如，室温下接触良好的界面在高温下可能存在界面间隙，基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。改善LED封装的关键在于减少界面和界面接触热阻，增强散热。因此，芯片和散热基板间的热界面材料(TIM)选择十分重要。LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶，由于热导率较低，一般为0.5-2.5W/mK，致使界面热阻很高。而采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料，可大大降低界面热阻。

　　(二)高取光率封装结构与工艺

　　在LED使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：芯片内部结构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损失;以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此，很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶)，由于该胶层处于芯片和空气之间，从而有效减少了光子在界面的损失，提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。因此，要求其透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。为提高LED封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。硅胶由于具有透光率高，折射率大，热稳定性好，应力小，吸湿性低等特点，明显优于环氧树脂，在大功率LED封装中得到广泛应用，但成本较高。研究表明，提高硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高外量子效率，但硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率降低，从而影响LED光效和光强分布。

　　荧光粉的作用在于光色复合，形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性(热和化学)等，其中，发光效率和转换效率是关键。研究表明，随着温度上升，荧光粉量子效率降低,出光减少，辐射波长也会发生变化，从而引起白光LED色温、色度的变化，较高的温度还会加速荧光粉的老化。原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成，散热性能较差，当受到紫光或紫外光的辐射时，易发生温度猝灭和老化，使发光效率降低。此外，高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。由于常用荧光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配，以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限(30nm)，因而在荧光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。通过在硅胶中掺入纳米荧光粉，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%)，并能有效改善光色质量。

　　传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合，然后点涂在芯片上。由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制，导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光。而Lumileds公司开发的保形涂层(Conformal coating)技术可实现荧光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性，如图3(b)。但研究表明，当荧光粉直接涂覆在芯片表面时，由于光散射的存在，出光效率较低。有鉴于此，美国Rensselaer 研究所提出了一种光子散射萃取工艺(Scattered Photon Extraction method，SPE)，通过在芯片表面布置一个聚焦透镜，并将含荧光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不仅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效(60%)，如图3(c)。

 

图3 大功率白光LED封装结构

　　总体而言，为提高LED的出光效率和可靠性，封装胶层有逐渐被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趋势，通过将荧光粉内掺或外涂于玻璃表面，不仅提高了荧光粉的均匀度，而且提高了封装效率。此外，减少LED出光方向的光学界面数，也是提高出光效率的有效措施。

　　(三)阵列封装与系统集成技术

　　经过40多年的发展，LED封装技术和结构先后经历了四个阶段，如图4所示。

 

图4 LED封装技术和结构发展

　　1、引脚式(Lamp)LED封装

　　引脚式封装就是常用的Æ3-5mm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。主要用于仪表显示或指示，大规模集成时也可作为显示屏。其缺点在于封装热阻较大(一般高于100K/W)，寿命较短。

　　2、表面组装(贴片)式(SMT-LED)封装

　　表面组装技术(SMT)是一种可以直接将封装好的器件贴、焊到PCB表面指定位置上的一种封装技术。具体而言，就是用特定的工具或设备将芯片引脚对准预先涂覆了粘接剂和焊膏的焊盘图形上，然后直接贴装到未钻安装孔的PCB 表面上，经过波峰焊或再流焊后，使器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接。SMT技术具有可靠性高、高频特性好、易于实现自动化等优点，是电子行业最流行的一种封装技术和工艺。

　　3、板上芯片直装式(COB)LED封装

　　COB是Chip On Board(板上芯片直装)的英文缩写，是一种通过粘胶剂或焊料将LED芯片直接粘贴到PCB板上，再通过引线键合实现芯片与PCB板间电互连的封装技术。PCB板可以是低成本的FR-4材料(玻璃纤维增强的环氧树脂)，也可以是高热导的金属基或陶瓷基复合材料(如铝基板或覆铜陶瓷基板等)。而引线键合可采用高温下的热超声键合(金丝球焊)和常温下的超声波键合(铝劈刀焊接)。COB技术主要用于大功率多芯片阵列的LED封装，同SMT相比，不仅大大提高了封装功率密度，而且降低了封装热阻(一般为6-12W/m.K)。

　　4、系统封装式(SiP)LED封装

　　SiP(System in Package)是近几年来为适应整机的便携式发展和系统小型化的要求，在系统芯片System on Chip(SOC)基础上发展起来的一种新型封装集成方式。对SiP-LED而言，不仅可以在一个封装内组装多个发光芯片，还可以将各种不同类型的器件(如电源、控制电路、光学微结构、传感器等)集成在一起，构建成一个更为复杂的、完整的系统。同其他封装结构相比，SiP具有工艺兼容性好(可利用已有的电子封装材料和工艺)，集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分块测试，开发周期短等优点。按照技术类型不同，SiP可分为四种：芯片层叠型，模组型，MCM型和三维(3D)封装型。

　　目前，高亮度LED器件要代替白炽灯以及高压汞灯，必须提高总的光通量，或者说可以利用的光通量。而光通量的增加可以通过提高集成度、加大电流密度、使用大尺寸芯片等措施来实现。而这些都会增加LED的功率密度，如散热不良，将导致LED芯片的结温升高，从而直接影响LED器件的性能(如发光效率降低、出射光发生红移，寿命降低等)。多芯片阵列封装是目前获得高光通量的一个最可行的方案，但是LED阵列封装的密度受限于价格、可用的空间、电气连接，特别是散热等问题。由于发光芯片的高密度集成，散热基板上的温度很高，必须采用有效的热沉结构和合适的封装工艺。常用的热沉结构分为被动和主动散热。被动散热一般选用具有高肋化系数的翅片，通过翅片和空气间的自然对流将热量耗散到环境中。该方案结构简单，可靠性高，但由于自然对流换热系数较低，只适合于功率密度较低，集成度不高的情况。对于大功率LED封装，则必须采用主动散热，如翅片+风扇、热管、液体强迫对流、微通道致冷、相变致冷等。

　　在系统集成方面，台湾新强光电公司采用系统封装技术(SiP), 并通过翅片+热管的方式搭配高效能散热模块，研制出了72W、80W的高亮度白光LED光源，如图5(a)。由于封装热阻较低(4.38℃/W),当环境温度为25℃时，LED结温控制在60℃以下，从而确保了LED的使用寿命和良好的发光性能。而华中科技大学则采用COB封装和微喷主动散热技术，封装出了220W和1500W的超大功率LED白光光源，如图5(b)。

 

　　(四)封装大生产技术

　　晶片键合(Wafer bonding)技术是指芯片结构和电路的制作、封装都在晶片(Wafer)上进行，封装完成后再进行切割，形成单个的芯片(Chip);与之相对应的芯片键合(Die bonding)是指芯片结构和电路在晶片上完成后，即进行切割形成芯片(Die)，然后对单个芯片进行封装(类似现在的LED封装工艺)，如图6所示。很明显，晶片键合封装的效率和质量更高。由于封装费用在LED器件制造成本中占了很大比例，因此，改变现有的LED封装形式(从芯片键合到晶片键合)，将大大降低封装制造成本。此外，晶片键合封装还可以提高LED器件生产的洁净度，防止键合前的划片、分片工艺对器件结构的破坏，提高封装成品率和可靠性，因而是一种降低封装成本的有效手段。

 

　　此外，对于大功率LED封装，必须在芯片设计和封装设计过程中，尽可能采用工艺较少的封装形式(Package-less Packaging)，同时简化封装结构，尽可能减少热学和光学界面数，以降低封装热阻，提高出光效率。

　　(五)封装可靠性测试与评估

　　LED器件的失效模式主要包括电失效(如短路或断路)、光失效(如高温导致的灌封胶黄化、光学性能劣化等)和机械失效(如引线断裂，脱焊等)，而这些因素都与封装结构和工艺有关。LED的使用寿命以平均失效时间(MTTF)来定义，对于照明用途，一般指LED的输出光通量衰减为初始的70%(对显示用途一般定义为初始值的50%)的使用时间。由于LED寿命长，通常采取加速环境试验的方法进行可靠性测试与评估。测试内容主要包括高温储存(100℃，1000h)、低温储存(-55℃，1000h)、高温高湿(85℃/85%，1000h)、高低温循环(85℃～-55℃)、热冲击、耐腐蚀性、抗溶性、机械冲击等。然而，加速环境试验只是问题的一个方面，对LED寿命的预测机理和方法的研究仍是有待研究的难题。

　　三、固态照明对大功率LED封装的要求

　　与传统照明灯具相比，LED灯具不需要使用滤光镜或滤光片来产生有色光，不仅效率高、光色纯，而且可以实现动态或渐变的色彩变化。在改变色温的同时保持具有高的显色指数，满足不同的应用需要。但对其封装也提出了新的要求，具体体现在：

　　(一)模块化

　　通过多个LED灯(或模块)的相互连接可实现良好的流明输出叠加，满足高亮度照明的要求。通过模块化技术，可以将多个点光源或LED模块按照随意形状进行组合，满足不同领域的照明要求。

　　(二)系统效率最大化

　　为提高LED灯具的出光效率，除了需要合适的LED电源外，还必须采用高效的散热结构和工艺，以及优化内/外光学设计，以提高整个系统效率。

　　(三)低成本

　　LED灯具要走向市场，必须在成本上具备竞争优势(主要指初期安装成本)，而封装在整个LED灯具生产成本中占了很大部分，因此，采用新型封装结构和技术，提高光效/成本比，是实现LED灯具商品化的关键。

　　(四)易于替换和维护

　　由于LED光源寿命长，维护成本低，因此对LED灯具的封装可靠性提出了较高的要求。要求LED灯具设计易于改进以适应未来效率更高的LED芯片封装要求，并且要求LED芯片的互换性要好，以便于灯具厂商自己选择采用何种芯片。

　　LED灯具光源可由多个分布式点光源组成，由于芯片尺寸小，从而使封装出的灯具重量轻，结构精巧，并可满足各种形状和不同集成度的需求。唯一的不足在于没有现成的设计标准，但同时给设计提供了充分的想象空间。此外，LED照明控制的首要目标是供电。由于一般市电电源是高压交流电(220V，AC)，而LED需要恒流或限流电源，因此必须使用转换电路或嵌入式控制电路(ASICs)，以实现先进的校准和闭环反馈控制系统。此外，通过数字照明控制技术，对固态光源的使用和控制主要依靠智能控制和管理软件来实现，从而在用户、信息与光源间建立了新的关联，并且可以充分发挥设计者和消费者的想象力。

　　四、结束语

　　LED封装是一个涉及到多学科(如光学、热学、机械、电学、力学、材料、半导体等)的研究课题。从某种角度而言，LED封装不仅是一门制造技术(Technology)，而且也是一门基础科学(Science)，良好的封装需要对热学、光学、材料和工艺力学等物理本质的理解和应用。LED封装设计应与芯片设计同时进行，并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。在封装过程中，虽然材料(散热基板、荧光粉、灌封胶)选择很重要，但封装结构(如热学界面、光学界面)对LED光效和可靠性影响也很大，大功率白光LED封装必须采用新材料，新工艺，新思路。对于LED灯具而言，更是需要将光源、散热、供电和灯具等集成考虑。

　　致 谢：

　　衷心感谢马泽涛、袁柳林、周波、陈伟、石雄、宋镜明、刘宗源、王恺、程婷等的辛勤工作与研究成果。

　　参考文献

　　[1] Mehmet Arika, Charles Beckerb, Stanton Weaverb, et al.. Thermal Management of LEDs: Package to System. Proc. of SPIE, Vol. 5187, 2004, 64-75

　　[2] Tim Whitaker. LEDs in the mainstream: technical hurdles and standardization issures. LEDs magazine, Oct., 2005, 11-13

　　[3] Bill Riegler and Rob Thomaier. Index-matching silicones enable high-brightness LED packaging. LEDs magazine, Feb., 2006, 19-21

　　[4] N. Taskar, R. Bhargava, J. Barone, et al.. Quantum Confined Atom based Nanophosphors for Solid State Lighting. Proc. of SPIE, Vol. 5187, 2004, 133-141

　　[5] Daniel A. Steigerwald, Jerome C. Bhat, Dave Collins, et al.. Illumination With Solid State Lighting Technology. IEEE Joural on selected topics in quantum electronics, Vol. 8, No.2, 2002, 310-320

　　[6] Nadarajah Narendran. Improved Performance of White LED. Proc. of SPIE, Vol. 5941, 2005, 1-6

　　[7] 刘胜，陈明祥，罗小兵，甘志银，一种白色发光二极管芯片的制备方法，中国发明专利：200610029858.6(申请号)，美国专利申请中

　　[8] 刘胜，罗小兵，用于发光二极管LED的微喷射流水冷却系统，中国发明专利：200510111104.0(申请号)，中国实用新型专利：200520047169.9(申请号)

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       我们经常会碰到LED不亮的情况，封装企业、应用企业以及使用的单位和个人，都有可能碰到，这就是行业内的人说的死灯现象。究其原因不外是两种情况：其一，LED的漏电流过大造成PN结失效，使LED灯点不亮，这种情况一般不会影响其它的LED灯的工作；其二，LED灯的内部连接引线断开，造成LED无电流通过而产生死灯，这种情况会影响其它的LED灯的正常工作，原因是由于LED灯工作电压低（红黄橙LED工作电压1.8V—2.2V，蓝绿白LED工作电压2.8—3.2V），一般都要用串、并联来联接，来适应不同的工作电压，串联的LED灯越多影响越大，只要其中有一个LED灯内部连线开路，将造成该串联电路的整串LED灯不亮，可见这种情况比第一种情况要严重的多。LED死灯是影响产品质量、可靠性的关健，如何减少和杜绝死灯，提高产品质量和可靠性，是封装、应用企业需要解决的关键问题。下面是对造成死灯的一些原因作一些分析探讨，

1. 静电对LED芯片造成损伤，使LED芯片的PN结失效，漏电流增大，变成一个电阻

　　静电是一种危害极大的魔鬼，全世界因为静电损坏的电子元器件不计其数，造成数千万美元的经济损失。所以防止静电损坏电子元器件，是电子行业一项很重要的工作，LED封装、应用的企业千万不要掉以轻心。任何一个环节出问题，都将造成对LED的损害，使LED性能变坏甚至失效。我们知道人体（ESD）静电可以达到三千伏左右，足可以将LED芯片击穿损坏，在LED封装生产线，各类设备的接地电阻是否符合要求，这也是很重要的，一般要求接地电阻为4欧姆，有些要求高的场合其接地电阻甚至要达到≤2欧姆。这些要求都为电子行业的人们所熟悉，关健是在实际执行时是否到位，是否有记录。据笔者了解一般的民营企业，防静电措施做得并不到位，这就是大多数企业查不到接地电阻的测试记录，即使做了接地电阻测试也是一年一次，或几年一次，或有问题时检查一下接地电阻，殊不知接地电阻测试这是一项很重要的工作，每年至少4次（每季度测试一次），一些要求高的地方，每月就要作一次接地电阻测试。土壤电阻会随着季节的变化而不同，春夏天雨水多，土壤湿接地电阻较容易达到，秋冬季干燥土壤水分少，接地电阻就有可能超过规定数值，作记录是为了保存原始数据，做到日后有据可查。符合ISO2000质量管理体系。测试接地电阻可以自行设计表格，接地电阻测试封装企业、LED应用企业都要做，只要将各种设备名称填于表格内，测出各设备的接地电阻记录在案，测试人签名即可存档。

　　人体静电对LED的损害也是很大的，工作时应穿防静电服装，配带静电环，静电环应接地良好，有一种不须要接地的静电环防静电的效果不好，建议不使用配带该种产品，如果工作人员违反操作规程，则应接受相应的警示教育，同时也起到告示他人的作用。人体带静电的多少，与人穿的不同面料衣服、及各人的体质有关，秋冬季黑夜我们脱衣服就很容易看见衣服之间的放电现象，这种静电放电的电压就有三千伏。而碳化硅衬底芯片的ESD值只有1100伏，蓝宝石衬底芯片的ESD值就更低，只有500—600伏。一个好的芯片或LED，如果我们用手去拿（身体未作任何防护措施），其结果就可想而知了，芯片或LED将受到不同程度的损害，有时一个好的器件经过我们的手就莫名其妙的坏了，这就是静电惹的祸。

　　封装企业如果不严格按接地规程办事，吃亏的是企业自己，将造成产品合格率下降，减少企业的经济效益，同样应用LED的企业如果设备和人员接地不良的话也会造成LED的损坏，返工在所难免。按照LED标准使用手册的要求，LED的引线距胶体应不少于3—5毫米，进行弯脚或焊接，但大多数应用企业都没有做到这一点，而只是相隔一块PCB板的厚度（≤2毫米）就直接焊接了，这也会对LED造成损害或损坏，因为过高的焊接温度会对芯片产生影响，会使芯片特性变坏，降低发光效率，甚至损坏LED，这种现象屡见不鲜。有些小企业采用手工焊接，使用40瓦普通烙铁，焊接温度无法控制，烙铁温度在300—400℃以上，过高的焊接温度也会造成死灯，LED引线在高温下膨胀系数比在150℃左右的膨胀系数高好几倍，内部的金丝焊点会因为过大的热胀冷缩将焊接点拉开，造成死灯现象。

2. LED灯内部连线焊点开路造成死灯现象的原因分析

2.1 封装企业生产工艺不建全，来料检验手段落后，是造成LED死灯的直接原因

　　一般采用支架排封装的LED，支架排是采用铜或铁金属材料经精密模具冲压而成，由于铜材较贵，成本自然就高，受市场激烈竟争因素影响，为了降低制造成本，市场大多都采用冷轧低碳钢带来冲压LED支架徘，铁的支架排要经过镀银，镀银有两个作用，一是为了防止氧化生锈，二是方便焊接，支架排的电镀质量非常关键，它关系到LED的寿命，在电镀前的处理应严格按操作规程进行，除锈、除油、磷化等工序应一丝不苟，电镀时要控制好电流，镀银层厚度要控制好，镀层太厚成本高，太薄影响质量。因为一般的LED封装企业都不具备检验支架排电镀质量的能力，这就给了一些电镀企业有机可乘，使电镀的支架排镀银层减薄，减少成本支出，一般封装企业IQC对支架排检验手段欠缺，没有检测支架排镀层厚度和牢度的仪器，所以较容易蒙混过关。笔者见过有些支架排放在仓库里几个月后就生锈了，不要说使用了，可见电镀的质量有多差。用这样的支架排做出来的产品是肯定用不长久的，不要说3—5万小时，1万小时都成问题。原因很简单每年都有一段时间的南风天，这样的天气空气中湿度大，很容易造成电镀差的金属件生绣，使LED元件失效。即使封装了的LED也会因镀银层太薄附着力不强，焊点与支架脱离，造成死灯现象。这就是我们碰到的使用得好好的灯不亮了，其实就是内部焊点与支架脱离了。

2.2 封装过程中每一道工序都必须认真操作，任何一个环节疏忽都是造成死灯的原因

　　在点、固晶工序，银胶（对于单焊点芯片）点得多与少都不行，多了胶会返到芯片金垫上，造成短路，少了芯片又粘不牢。双焊点芯片点绝缘胶也是一样，点多了绝缘胶会返上芯片的金垫上，造成焊接时的虚焊因而产生死灯。点少了芯片又粘不牢，所以点胶必须恰到好处，既不能多也不能少。焊接工序也很关键，金丝球焊机的压力、时间、温度、功率四个参数的配合都要恰到好处，除了时间固定外，其它三个参数是可调的，压力的调节应适中，压力大容易压碎芯片，太小则容易虚焊。焊接温度一般调节在280℃为好，功率的调节是指超声波功率调节，太大、太小都不好，以适中为度，总之，金丝球焊机各项参数的调节，以焊接好的材料，用弹簧力矩测试计检测≥6克，即为合格。每年都要对金丝球焊机各项参数进性检测和校正，确保焊接参数处在最佳状态。另外焊线的弧度也有要求，单焊点芯片的弧高为1.5-2个芯片厚度，双焊点芯片弧高为2-3个芯片厚度，弧度的高低也会引起LED的质量问题，弧高太低容易造成焊接时的死灯现象，弧高太大则抗电流冲击差。

3. 鉴别虚焊死灯的方法

　　将不亮的LED灯用打火机将LED引线加热到200-300℃，移开打火机，用3伏扣式电池按正、负极连接LED，如果此时LED灯能点亮，但随着引线温度降低LED灯由亮变为不亮，这就证明LED灯是虚焊。加热能点亮的理由是利用了金属热胀冷缩的原理，LED引线加热时膨胀伸长与内部焊点接通，此时接通电源，LED就能正常发光，随着温度下降LED引线收缩回复到常温状态，与内部焊点断开，LED灯就点不亮了，这种方法屡试都是灵验的。将这种虚焊的死灯两引线焊在一根金属条上，用较浓的硫酸浸泡，使LED外部胶体溶解，胶体全部溶解后取出，在放大镜或显微镜下观察各焊点的焊接情况，就可以找出是一焊还是二焊的问题，是金丝球焊机那个参数设置不对，还是其它原因，以便改进方法和工艺，防止虚焊的现象再次发生。

　　使用LED产品的用户也会碰到死灯的现象，这就是LED产品使用一段时间后，发生死灯现象，死灯有两种原因，开路性死灯是焊接质量不好，或支架电镀的质量有问题，LED芯片漏电流增大也会造成LED灯不亮。现在很多LED产品为了降低成本没有加抗静电保护，所以容易出现被感应静电损坏芯片的现象。下雨天打雷容易出现供电线路感应高压静电，以及供电线路叠加的尖峰脉冲，都会使LED产品遭受不同程度的损坏。

　　总之发生死灯的原因有很多，不能一一列举，从封装、应用、到使用各个环节都有可能出现死灯现象，如何提高LED产品的质量，是封装企业以及应用企业要高度重视和认真研究的问题，从芯片、支架挑选，到LED封装整个工艺流程都要按照ISO2000质量体系来进行运作。只有这样LED的产品质量才可能全面的提高，才能做到长寿命、高可靠。在应用的电路设计上，选择压敏电阻和PPTC元件完善保护电路，增多并联路数，采用恒流开关电源，增设温度保护都是提高LED产品可靠性的有效措施。只要封装、应用的企业严格按照ISO2000质量体系来运作，就一定能使LED的产品质量上一个新台阶。

　　以目前的技术可以使InGaN有源层在常温，普通注入电流条件下的内量子效率达到90~95%。当温度升高，内量子效率会比较大的下降。因此要提高发光效率必须控制结温和提高出光效率。

   1  提高LED芯片出射效率的技术

　1．1  衬底激光剥离技术（Lift-off）

　　因为LED的GaAs基衬底的折射率非常大，所以它所造成的内部光吸收损失很大。这种方法将LED 的GaAs 衬底剥离，换成透明衬底，然后粘结在透明的GaP衬底上，使光从下底面出射。所以又被称为透明衬底LED（TS-LED）法。[4]理论上讲，这种方法可以提高光的出射率一倍。

　　对于以蓝宝石衬底为主的GaAs系LED而言，其剥离技术（LLO）是基于GaN的同质外延发展的一项技术。GaN基半导体材料和器件发展的一个重大问题是由于没有合适的衬底而造成的外延层质量问题，解决这个问题的一种可能途径是利用对衬底透明的短脉冲激光照射衬底，融化缓冲层而将GaN外延层从宝石衬底上剥离下来，再用HVPE生长技术制成GaN衬底，用以实现同质外延。美国的惠普公司在上世纪末最先在AlGaInP/GaAs LED上实现；2002年，日亚正式把它用于UVLED的工艺上，使其发光效率得到很大的提高；2003年2月，德国OSRAM公司用LLO工艺将蓝宝石去除，将LED的出光效率提升至75%。

　　 图1:制作透明衬底用GaP代替GaAs

　1．2利用光子晶体技术（Photonic Crystal）

　　光子晶体实际上就是一种将不同介电常数的介质在空间中按一定周期排列而形成的人造晶体,该排列周期为光波长量级。光子晶体中介质折射率的周期变化对光子的影响与半导体材料中周期性势场对电子的影响相类似。在半导体材料中,由于周期势场的作用电子会形成能带结构,带与带之间有带隙(如价带与导带) ,电子的能量如果落在带隙中,就无法继续传播. 在光子晶体中,由于介电常数在空间的周期性变化,也存在类似于半导体晶体那样的周期性势场. 当介电常数的变化幅度较大且变化周期与光的波长可相比拟时,介质的布拉格散射也会产生带隙,即光子带隙. 频率落在禁带中的光是被严格禁止传播的. 光子晶体也叫电磁晶体(elect romagneticcrystals) 或光子带隙( PBG—photonic band gap ) 材料。如果光子晶体只在一个方向上具有周期结构,光子禁带只可能出现在这个方向上. 如果存在三维的周期结构就有可能出现全方位的光子禁带,落在禁带中的光在任何方向都被禁止传播. 据此光子晶体可分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。

　　在发光二极管的发光中心放一块光子晶体,使发光中心的自发辐射和光子带隙的频率重合,并在光子晶体中引入一缺陷态,自发辐射将不能沿其它方向传播,只能沿特定的通道传播,这将大大减少能量损失，且能通过控制缺陷态而成为单模发光二极管。如果人为地破坏光子晶体的周期性结构时,在光子晶体中加入杂质,光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态,具有很大的态密度,这样便可以实现自发辐射的增强,利用光子晶体可以控制原子的自发辐射的特性,可以制作宽频带、低损耗的光反射镜,可以制作高效率的发光二极管。实验已证明,发光效率可以达90 %以上。

　　早期的光子晶体的制备采用反应离子束刻蚀技术在一块介电材料的表面以偏离法线35. 26°的角度从3 个方向钻孔、各方向的夹角为120°。这是一种由许多面心立方体构成的空间周期性结构,也称为钻石结构。 目前以 zbay 等发展的逐层叠加结构方法为主，其用许多片二维周期性结构叠加在一起而构成三维光子晶体。其他的方法还有乳液沉积干燥法，但那是对溶液进行的，并不适用于半导体。

　　2003年，松下电器产业根据光子晶体原理开发成功了效率30%的GaN蓝色发光二极管芯片，并声称通过改进芯片，预计将能够照射出60%左右的光（如下图所示）。该产品通过在蓝色LED芯片表面大量设置基于P型GaN的直径1.5μm、高约0.5μm的圆柱状凸部（折射率2.5），形成凸部和凹部的空气层（折射率１）沿水平方向排列的光子晶体。照射到光子晶体中的光线因其周期性折射率分布而使光线发生衍射。使原先全反射的光违反折射定律而出射。然而，该法由于凸部是利用光刻技术和蚀刻技术形成的，所以成本十分高昂，离最终的产业化距离尚远。

图2：具备圆柱状凸起光子晶体的白光LED

　1.3 表面粗化技术（surface-textured LED）

　　为了抑制GaAs与空气折射率相差过大而造成的全反射光较多的问题，可以采用把p-GaN表面粗化的方法。将介面按一定的规律打毛可以使部分全反射光线以散射光的形式出射，从而提高了出光率。如下图3所示，在LED的上表面直接将其打毛，但该法对有源层及透明电极会造成一定的损伤，制作也较为困难，故而很多时候都采用直接刻蚀成型。加洲大学的I.Schnitzer 和E.Yablonovitch 提出用自然光刻法。就是先用旋转镀膜的方法将直径300 nm 的聚苯乙烯球镀在LED 的表面，这些小球遮挡一部分表面，然后用等离子腐蚀的方法将未遮蔽的表面腐蚀到深度为170 nm左右，形成了粗糙的LED 表面。德国物理技术研究所的R.Windisch 等人用430 nm 的聚苯乙烯球进行了进一步的实验，效果也很好。

图3：表面粗化后的LED结构

　　1．4  分布布喇格反射层（DBR）结构

　　LED的结区发出的光是向上下两个表面出射的，而封装好的LED是“单向”发光，因此有必要将向下入射的光反射或直接出射。直接出射的方法即为透明衬底法，但该法成本较高，且工艺复杂。布拉格反射层是两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构，它在有源层和衬底之间，能够将射向衬底的光利用布拉格反射原理反射回上表面。分布布喇格反射层法可以直接利用MOCVD设备进行生长，无须再次加工处理，有很好的成本优势，因而目前已经应用于商业生产。

图6:生长在衬底和外延片之间的DBR结构

　　1.5芯片外观结构处理

　　 一般的LED都是立方体的结构，这样的结构使得光在LED内部传输的光程很长，造成有源层及自由载流子对光的吸收加剧。Ｋｒａｍｅｓ等人利用特殊的切片刀具,将InGaAlP红光LED台面制成平头倒金字塔形状的结构,键合到透明基片上,实现了50%以上的外量子效率。如下图所示，LED 晶片被切去四个方向的下角，斜面与垂直方向的夹角为35o，成倒金字塔形。LED 的这种几何外形可以使内部反射的光从侧壁的内表面再次传播到上表面，而以小于临界角的角度出射。同时使那些传播到上表面大于临界角的光重新从侧面出射。这两种过程能同时减小光在内部传播的路程。

图7:倒金字塔形LED

　　另外的一种方法是将正方形的LED芯片变为圆形。据北大的隋文辉[11]等人的最近的研究表明,利用环状电极制成的圆形LED,其发光效率可以比传统的方形LED更高。其在圆盘型光学微腔研究中证实,圆形的LED中存在回音壁模式和圆盘的径向模式,他提出了将倒金字塔形结构改为倒原圆锥体并加上微细结构的设计。实验证明，这确实大大加强了LED出射的光强。如下图所示，ＣＯ为不带微结构的圆台型LED;ＣＲ为圆台内侧边缘加一个同心环状沟槽的ＬＥＤ;ＲＳ和ＲＬ是带有同样数目但不同宽度同心环沟槽微结构的ＬＥＤ,ＲＳ和ＲＬ分别对应窄的和宽的环状沟槽。[10]他发现，在相同注入电流下,与没有微结构的普通圆台形ＬＥＤ(ＣＯ)相比,具有环形沟槽微结构的ＬＥＤ的发光光谱强度有不同程度的提高,其中带有一个环形沟槽的ＬＥＤ(ＣＲ)的光谱积分强度增强至2. 5倍,而带有多个环形沟槽的ＬＥＤ即ＲＳ和ＲＬ分别增强至17 .2和21.6倍。

　　图8:各种LED 的光强比较

　　2　利用新型封装方式增加LED亮度

　　常见的LED封装有炮弹形和倒装式两种，如下图9所示，左边为新式的倒装形，右边为老式的炮弹式。在倒装式封装内，将镜子的凹面朝向封装表面一侧，在上面配置蓝色LED芯片。芯片的表面一侧（发出蓝色光的一侧）朝向镜子凹面。通过采用这种结构，由蓝色LED芯片发出的蓝色光就会受到镜面的反射，并照射到封装表面。封装表面由于是利用混有萤光材料的环氧树脂进行封装的，因此部分蓝色光在照射到封装表面的过程中就会变成黄色光。而炮弹式则是把LED芯片设置到镜子凹面的底部部分，LED芯片的表面面向封装表面。据称，该产品在20mA时亮度高达7cd，与其他公司的普通产品相比，亮度高出1倍左右。

图10:新型倒装式和老式炮弹形LED　　　　　　　　　　　　　图11:产品实例

外延生长的基本原理是：在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有蓝宝石和SiC，Si）上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。

外延片的生产制作过程是非常复杂，展完外延片，接下来就在每张外延片随意抽取九点做测试，符合要求的就是良品，其它为不良品（电压偏差很大，波长偏短或偏长等）。良品的外延片就要开始做电极（P极，N极），接下来就用激光切割外延片，然后百分百分捡，根据不同的电压，波长，亮度进行全自动化分检，也就是形成LED晶片（方片）。然后还要进行目测，把有一点缺陷或者电极有磨损的，分捡出来，这些就是后面的散晶。此时在蓝膜上有不符合正常出货要求的晶片，也就自然成了边片或毛片等。不良品的外延片（主要是有一些参数不符合要求），就不用来做方片，就直接做电极（P极，N极），也不做分检了，也就是目前市场上的LED大圆片（这里面也有好东西，如方片等）。

    半导体制造商主要用抛光Si片（PW）和外延Si片作为IC的原材料。20世纪80年代早期开始使用外延片，它具有标准PW所不具有的某些电学特性并消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。
    历史上，外延片是由Si片制造商生产并自用，在IC中用量不大，它需要在单晶Si片表面上沉积一薄的单晶Si层。一般外延层的厚度为2～20μm，而衬底Si厚度为610μm（150mm直径片和725μm（200mm片）。
    外延沉积既可（同时）一次加工多片，也可加工单片。单片反应器可生产出质量最好的外延层（厚度、电阻率均匀性好、缺陷少）；这种外延片用于150mm“前沿”产品和所有重要200 mm产品的生产。
外延产品
    外延产品应用于4个方面，CMOS互补金属氧化物半导体支持了要求小器件尺寸的前沿工艺。CMOS产品是外延片的最大应用领域，并被IC制造商用于不可恢复器件工艺，包括微处理器和逻辑芯片以及存储器应用方面的闪速存储器和DRAM（动态随机存取存储器）。分立半导体用于制造要求具有精密Si特性的元件。“奇异”（exotic）半导体类包含一些特种产品,它们要用非Si材料，其中许多要用化合物半导体材料并入外延层中。掩埋层半导体利用双极晶体管元件内重掺杂区进行物理隔离，这也是在外延加工中沉积的。
    目前，200 mm晶片中，外延片占1/3。2000年，包括掩埋层在内，用于逻辑器件的CMOS占所有外延片的69%，DRAM占11%，分立器件占20%。到2005年，CMOS逻辑将占55%，DRAM占30%，分立器件占15%。

LED外延片--衬底材料
衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。衬底材料的选择主要取决于以下九个方面：
? [1]结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小；
? [2]界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强；
? [3]化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀；
? [4]热学性能好，包括导热性好和热失配度小；
? [5]导电性好，能制成上下结构；
? [6]光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小；
? [7]机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等；
? [8]价格低廉；
? [9]大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。
　　衬底的选择要同时满足以上九个方面是非常困难的。所以，目前只能通过外延生长技术的变更和器件加工工艺的调整来适应不同衬底上的半导体发光器件的研发和生产。用于氮化镓研究的衬底材料比较多，但是能用于生产的衬底目前只有三种，即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC衬底以及Si衬底。

    评价衬底材料必须综合考虑下列因素：

    1．衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低；

    2．衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏；

    3．衬底与外延膜的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降；

    4．材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，成本不宜很高。衬底尺寸一般不小于2英寸。
当前用于GaN基LED的衬底材料比较多，但是能用于商品化的衬底目前只有三种，即蓝宝石和碳化硅以及硅衬底。其它诸如GaN、ZnO衬底还处于研发阶段，离产业化还有一段距离。

氮化镓：

    用于GaN生长的最理想衬底是GaN单晶材料，可大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。但是制备GaN体单晶非常困难，到目前为止还未有行之有效的办法。

氧化锌：

    ZnO之所以能成为GaN外延的候选衬底，是因为两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格识别度非常小，禁带宽度接近（能带不连续值小，接触势垒小）。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中易分解和腐蚀。目前，ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达不到器件水平和P型掺杂问题没有得到真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。

蓝宝石：

    用于GaN生长最普遍的衬底是Al2O3。其优点是化学稳定性好，不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟。导热性差虽然在器件小电流工作中没有暴露明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。

碳化硅：

    SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石，目前中国的晶能光电的江风益教授在Si衬底上生长出了可以用来商业化的LED外延片。Si衬底在导热性、稳定性方面要优于蓝宝石，价格也远远低于蓝宝石，是一种非常有前途的衬底。SiC衬底有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高，晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差，另外，SiC衬底吸收380纳米以下的紫外光，不适合用来研发380纳米以下的紫外LED。由于SiC衬底有益的导电性能和导热性能，可以较好地解决功率型GaN LED器件的散热问题，故在半导体照明技术领域占重要地位。

    同蓝宝石相比，SiC与GaN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，SiC具有蓝色发光特性，而且为低阻材料，可以制作电极，使器件在包装前对外延膜进行完全测试成为可能，增强了SiC作为衬底材料的竞争力。由于SiC的层状结构易于解理，衬底与外延膜之间可以获得高质量的解理面，这将大大简化器件的结构；但是同时由于其层状结构，在衬底的表面常有给外延膜引入大量的缺陷的台阶出现。

    实现发光效率的目标要寄希望于GaN衬底的LED，实现低成本，也要通过GaN衬底导致高效、大面积、单灯大功率的实现，以及带动的工艺技术的简化和成品率的大大提高。半导体照明一旦成为现实，其意义不亚于爱迪生发明白炽灯。一旦在衬底等关键技术领域取得突破，其产业化进程将会取得长足发展。

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          LED產品的光衰就是光在傳輸中的訊號減弱，而現階段全球LED大廠們做出的LED產品光衰程度都不同，大功率LED同樣存在光衰，這和溫度有直接的關係，主要是由晶片、螢光粉和封裝技術決定的。目前，市場上的白光LED其光衰可能是向民用照明進軍的首要問題之一。針對LED的光衰主要有以下二大因素：

一、LED產品本身品質問題：
1、採用的LED晶粒體質不好，亮度衰減較快。
2、生產製程存在缺陷，LED晶粒散熱不能良好的從PIN腳導出，導致LED晶粒溫度過高使晶片衰減加劇。

二、使用條件問題：
1、LED為恒流驅動，有部分LED採用電壓驅動原因使LED衰減過來。
2、驅動電流大於額定驅動條件。

其實導致LED產品光衰的原因很多，最關鍵的還是熱的問題，儘管很多廠商在次級產品不特別注重散熱的問題，但這些次級LED產品長期使用下，光衰程度會比有注重散熱的LED產品要高。LED晶粒本身的熱阻、銀膠的影響、基板的散熱效果，以及膠體和金線方面也都與光衰有關係。

LED生產过程中所使用的环氧树脂(Epoxy)，是业界製作產品时的重点之一，以下是LED製程中个别不良现象的处理方法：
一、因硬化不良而引起裂化
现象：硬化物中有裂化发生。
原因：硬化时間短，烤箱之温度不均匀。
处理方法：
1.测定T间是否有硬化不良之现象。
2.确认烤箱内部之实际温度。
3.确认烤箱内部之温度是否均匀。

二、因搅拦不良而引起异常发生
现象：同一旬支架上之灯泡上有著色现象或T间，胶化时間不均一。
原因：搅拦时，未将搅拦容器之壁面及底部死角部分均一搅拦。
处理方法：再次搅拦。

三、气泡残留
现象：真空胶泡时，一直气泡產生。
原因：
1.树脂及硬化剂预热过高。
2.增粘后进入注型物中之气泡难以脱泡。
处理方法：
1.树脂预热至40~50℃
2.硬化剂通常不预热。

四、著色剂之异常发生
现象：使用同一批或同一罐之著色剂后，其顏色却不同，製品中有点状之裂现象。
原因：
1.著色剂中有结晶状发生。
2.浓度不均，结晶沉降反致。
处理方法：易结晶，使用前100~120 ℃加热溶解后再使用。

五、光扩散剂之异常发生
现象：DP-500不易分散，扩散剂在灯泡内沉降，以致有影子出现。
原因：添加沉降防止剂变性不同分散不易。
处理方法：加强搅拦。

六、硬化剂之吸湿之异常发生
现象：
1.有浮游或沉降之不溶解物。
2.不透明成乳白色。
原因：
1.因水酸化后成白色结晶。
2.使用后长期放置。
3.瓶盖未架锁紧。
处理方法：
1.使用前确认有无水酸化现象。
2.防湿措施。

七、Display case 中有气泡残留
现象：长时間脱泡后製品中仍有气泡残留。
原因：
1.增粘效果现象发生，不易脱泡。
2. Display case之封胶用粘著胶带有问题。
处理方法：
1.确认预热温度搅拦时間，真空脱泡之时間,真空度。
2.真空度不可过高。
3.树脂过当预热。
4.灌胶前case预热。

八、在长烤硬化时有变色(著色)现象
现象：短烤离模后，长烤硬化时有变色(著色)现象。
原因：
1.烤箱局部部分温度过高。
2.烤箱内硬化物放过多，长烤硬化时產生反应热烤箱温度变高而著色。
处理方法：确认烤箱内之数量放置方法，热迴圈效果。

九、短烤时离模不良
现象：不易离模。
原因：未达硬化温度。
处理方法：确认硬化温度及调查胶化时間。

十、硬化剂变色
现象：硬化剂变茶色。
原因：
1.经预热。
2.硬化剂长期放置或放置於高温之所。
处理方法：
1.硬化剂不可预热。
2.暗所存放(促进剂之因)不宜长期存放。

十一、光扩散剂之固形化
现象：无流动性，成固形状。
原因：因添加无机物后，树脂成固体状(特别是冬天)。
处理方法：加热融化。

十二、支架爬胶
现象：支架爬胶或是过锡炉时不能著锡。
原因：支架表面凹凸不平產生毛细现象。
处理方法：
1.确认支架表面有无凹凸。
2.变更低蒸气压之希释剂。

十三、灯泡中从支架上有气泡
现象：灯泡中之支架上的盖子还有金线部分有气泡连续地发生及残留。
原因：因预热温度高(350~400 ℃通常200-250 ℃)使镀银起化学变化。
处理方法：Wire bondin间 时降低预热温度。

十四、Display case 之注型硬化后变形
现象： Display case 弯曲变形。
原因：硬化热(因数：容量，硬化温度等。)
处理方法：注意硬化时实际之硬化热之大小。

1 前 言
半导体发光二极管是一种重要的光电子器件,它在科学研究和工农业生产中均有非常广泛的应用.发光二极管虽小,但要准确测量它的各项光和辐射参数并非一件易事.目前在世界范围内的测试比对还有较大的差异.鉴于此,CIE(国际照明委员会)TC2-34小组对此进行了研究,所提出的技术报告形成了CIE127-1997文件.
中国光学光电子行业协会光电器件专业分会根据国内及行业内部的实际情况,初步制定了行业标准"发光二极管测试方法",2002年起在行业内部试行.本文叙述了与发光二极管测试有关的术语和定义,在此基础上,详细介绍了测试方法和测试装置的要求,以期收到抛砖引玉之效果.
本文涉及的测试方法适用于紫外/可见光/红外发光二极管及其组件,其芯片测试可以参照进行。

2 术语和定义
2.1发光二极管 LED
除半导体激光器外，当电流激励时能发射光学辐射的半导体二极管。严格地讲，术语LED应该仅应用于发射可见光的二极管；发射近红外辐射的二极管叫红外发光二极管（IRED,Infrared Emitting Diode）；发射峰值波长在可见光短波限附近，由部份紫外辐射的二极管称为紫外发光二极管；但是习惯上把上述三种半导体二极管统称为发光二极管。
2.2光轴 Optical axis
最大发光（或辐射）强度方向中心线。
2.3正向电压V_F Forward voltage
通过发光二极管的正向电流为确定值时，在两极间产生的电压降。
2.4反向电流I_R Reverse current
加在发光二极管两端的反向电压为确定值时，流过发光二极管的电流。
2.5反向电压V_R Reverse voltage
被测LED器件通过的反向电流为确定值时，在两极间所产生的电压降。
2.6总电容C Capacitance
在规定正向偏压和规定频率下，发光二极管两端的电容。
2.7开关时间 Switching time
涉及以下概念的最低和最高规定值是10％和90％，除非特别注明。
2.7.1开启延迟时间t_d(on) Turn-on delay time
输入脉冲前沿最低规定值到输出脉冲前沿最低规定值之间的时间间隔。
2.7.2上升时间t_r Rise time
输出脉冲前沿最低规定值到最高规定值之间的时间间隔。
2.7.3开启时间t_on Turn-on time
器件所加输入脉冲前沿的最低规定值到输出脉冲前沿最高规定值之间的时间间隔。

2.7.4关闭延迟时间t_d(off) Turn-off delay time
器件所加输入脉冲后沿的最高规定值到输出脉冲后沿最高规定值之间的时间间隔。
2.7.5下降时间t_f Fall time
输出脉冲后沿最高规定值到最低规定值之间的时间间隔（见图1）。

图1 开关时间 延迟时间

3 最大额定值
3.1 最低和最高储存温度（T_stg ）
3.2 最低和最高工作环境温度或管基温度（T_amb 或T_case ）
3.3 最大反向电压（V_R ）
注：不可用于相互首尾相接的双管器件。
3.4 在25℃环境或管基温度时的最大连续正向电流（I_F ）和减额定值曲线或减额定值系数。
3.5 在适当地方，在规定脉冲条件下，在25℃环境或管基温度时的最大峰值正向电流（I_FM ）
4 主要光电特性（见表1）

5 一般要求
5.1 试验条件
除非另有规定，器件的光电参数测试应按本标准规定试验条件进行。
5.1.1 标准大气条件
温度：15℃～35℃
相对湿度：20％～80％
气压：86kPa～106kPa
5.1.2 仲裁试验的标准大气条件
温度：25℃±1℃；
相对湿度：48％～52％；
气压：86kPa～106kPa
5.1.3 环境条件
a） 测试环境应无影响测试准确度的机械振动和电磁干扰；.
b） 除非另有规定，器件全部光电参数均应在热平衡下进行；
c） 测试系统应接地良好。
5.2 参数要求
除非另有规定，器件测试应采取预防措施和保持下述公差。虽然在有关文件中规定的测试条件严于下述公差，但在一般情况下，应遵循下述规定的条件。
a） 偏置条件应在规定值的±3％以内；
b） 输入脉冲特性，重复频率和频率等的误差应在±10％以内；
c） 测量开关参数的误差应在±5％以内；
d） 测量直流电参数误差不大于±2％；
e） 测量辐射功率的误差不大于5％；
f） 测量峰值辐射波长的误差不大于±2nm；
g） 测量半强度角误差不大于10％；
h） 测量发光强度误差不大于25％。

6 测试方法
测试方法分为：
a） 1000类 电特性测试方法
--方法1001 正向电压
--方法1002 反向电压
--方法1003 反向电流
--方法1004 总电容
b） 2000类 光特性测试方法
--方法2001 平均LED强度
--方法2002 半强度角和偏差角
--方法2003 光通量和发光效率
--方法2004 辐射通量和辐射效率
--方法2005 峰值发射波长，光谱辐射带宽和光谱功率分布
c） 3000类 光电特性测试方法
--方法3001 开关时间
6.1 1000类 电特性测试方法
6.1.1 方法1001：正向电压
6.1.1.1 目的
测量LED器件在规定正向工作电流下，两电极间产生的电压降。
6.1.1.2 测试框图（见图3）

图3 方法1001测试框图

D--被测LED器件；
G--恒流源；
A--电流表；
V--电压表。

6.1.1.3 测试步骤
a） 按图3原理连接测试系统，并使仪器预热；
b）调节恒流源，使电流表读数为规定值，这时在直流电压表上的读数即为被测器件的正向电压。
6.1.1.4 规定条件
环境或管基温度；
电源电压；
正向偏置电流。
6.1.2 方法1002：反向电压
6.1.2.1 目的
测量通过LED器件的反向电流为规定值时，在两电极之间产生的反向电压。
6.1.2.2 测试框图（见图4）

图4 方法1002测试框图

D--被测LED器件；
G--稳压源；
A--电流表；
V--电压表。

6.1.2.3 测试步骤
a） 按图4原理连接测试系统，并使仪器预热。
b）调节稳压电源，使电流表读数为规定值，这时在直流电压表上的读数即为被测器件的反向电压。
6.1.2.4 规定条件
环境或管基温度；
电源电压；
反向电流。
6.1.3 方法1003：反向电流
6.1.3.1 目的
测量在被测LED器件施加规定的反向电压时产生的反向电流。
6.1.3.2 测试框图（见图5）

图5 方法1003测试框图

D--被测LED器件；
G--稳压源；
A--电流表；
V--电压表。

6.1.3.3 测试步骤
a） 按图5原理连接测试系统，并使仪器预热。
b）调节稳压电源，使电压表读数为规定值，这时在直流电流表上的读数即为被测器件的反向电流。
6.1.3.4 规定条件
环境或管基温度；
电源电压；
反向电流。
6.1.4 方法1004：总电容
6.1.4.1 目的
在被测LED器件施加规定的正向偏压和规定频率的信号时，测量被测器件两端的电容值。
6.1.4.2 测试框图（见图6）

图6 方法1004测试框图

D--被测LED器件；
C₀--隔离电容；
A--电流表；
V--电压表；
L--电感。

6.1.4.3 测试步骤
a） 按图6原理连接测试系统，并使仪器预热；
b）调节电压源和调节电容仪，分别给被测LED器件施加规定的正向偏压和规定频率的信号，将电容仪刻度盘上读数扣去电容C₀等效值即为被测LED器件总电容值。
6.1.4.4 规定条件
环境或管基温度；
正向偏置电压；
电容仪提供规定频率的信号。
6.2 2000类 光特性测试方法
6.2.1 方法2001：平均LED强度
6.2.1.1 目的
测量半导体发光二极管平均LED强度。
6.2.1.2 测试框图（见图7）

图7 方法2001测试框图

D--被测LED器件；
G--电流源；
PD--包括面积为A的光阑D₁的光度探测器；
D₂、D₃--消除杂散光光栏, D₂,D₃不应限制探测立体角；
d--被测LED器件与光阑D₁之间的距离。
注1：调整被测LED器件使它的机械轴通过探测器孔径的中心。
注2：光度探测器的光谱灵敏度在被测器件发射的光谱波长范围内应该校准到CIE（国际照明委员会）标准光度观测者光谱曲线;测试辐射参数时应采用无光谱选择性的光探测器。测试系统应该按距离d和光阑D1用标准器校正。测量距离d应按CIE推荐的标准条件A和B设置。在这两种条件下,所用的探测器要求有一个面积为100mm²(相应直径为11.3mm)的园入射孔径。

CIE推荐	LED顶端到探测器的距离d	立体角	平面角(全角)
标准条件A	316mm	0.001sr	2o
标准条件B	100mm	0.01sr	6.5o

注3：对于脉冲测量，电流源应该提供所要求的幅度，宽度和重复率的电流脉冲。探测器上升时间相对于脉冲宽度应该足够小，系统应该是一个峰值测量仪器。
6.2.1.3 测量步骤
被测LED器件按照选定的形式定位给被测器件加上规定的电流，在光度测量系统测量平均LED强度。
6.2.1.4 规定条件
环境温度和合适的大气条件；
正向电流和，需要的话，宽度和重复率；
6.2.2 方法2002：半强度角和偏差角
6.2.2.1 目的
测量半导体发光二极管在规定的工作电流下的平均LED强度的空间分布和半最大强度角及偏差角。半强度角 θ_1/2是发光（或辐射）强度大于等于最大强度一半构成的角度（见图8），在平均LED强度分布图形中，最大强度方向（光轴）与机械轴Z之间的夹角即为偏差角Δθ （见图８）。
6.2.2.1 测试框图（见图８）

图8 方法2002测试框图

D：被测LED器件；
G：电流源；
PD：包括面积为A的光阑D₁的光度探测器；
D₂,D₃：消除杂散光光栏, D₂,D₃不应限制探测立体角；
d：被测LED器件与光阑D₁之间的距离；
θ：Z轴和探测器轴之间的夹角。

注1：距离d应该设置为CIE标准条件A或B；
注2：对于脉冲测量，电流源应该提供所要求的幅度、宽度和重复率的电流脉冲，探测器上升时间相对于脉冲宽度应该足够小，系统应该是一个峰值测量仪器；
注3：被测LED定位在一种装置上（如：旋转中心位于系统光轴上的角度盘上，度盘应该有足够的角度刻度精度），要求：
--被测LED器件位置可精确再现；
--变化角度θ、器件D光学窗口的中心能保持固定；
--能测量夹角θ；
--能绕被测器件Z轴旋转；
--能测量关于X轴的旋转角。
6.2.2.2 测量步骤
a）给被测器件加上规定的工作电流。调正被测器件D的机械轴与光探测器轴重合，即θ＝0，测量光探测器的信号，把这个值设置为 I₀＝100％；
b）从0－±90°旋转度盘，光电测量系统测量各个角度时的发光强度值，得到相对强度I /I₀ 与θ之间的关系，优先采用极坐标图来表示，其它形式，如直角坐标图，在空白详细规范中定义后可以使用。在该图上分别读取半最大强度点对应的角度θ₁ θ₂ ，半强度角Δθ=|θ₂ -θ₁ |。偏差角就是I_max 和I₀ 方向之间的夹角。
6.2.2.3 规定条件
环境和管基温度；
规定正向电流I_F 或者辐射功率Φ_e；
机械参照平面。
6.2.3 方法2003:光通量和发光效率
6.2.3.1 目的
测量被测LED器件在规定条件下的光通量和发光效率。
6.2.3.2 测试框图（见图9）

图9 方法2003测试框图

注1：被测LED器件发射的光辐射经积分球壁的多次反射，导致产生一个均匀的与光通量成比例的面出光度，一个位于球壁的探测器测量这个面出光度，一个漫射屏挡住光线，不使探测器直接照射到被测器件的光辐射；
注2：被测器件、漫射屏、开孔的面积和球面积比较应该相对较小，球内壁和漫射屏表面应有均匀的高反射率漫反射镀层（最小0.8）。球和探测器组合应该校准，应该考虑到峰值发射波长和光通量由于功率消耗产生的变化。
注3：也可以用变角光度计测量。
6.2.3.3 测量步骤
被测量器件放在积分球入口处，不要使光线直接到达探测器。给被测器件施加规定的正向电流I_F ，光度探测系统测量出光通量。将光通量数值除以正向电流I_F 和正向电压V_F 的乘积值即为发光效率。
6.2.3.4 规定条件
环境和管基温度；
正向电流。
6.2.4 方法2004：辐射通量和辐射效率
6.2.4.1 目的
测量被测LED器件在规定条件下的辐射通量(功率)和辐射效率。
6.2.4.2 测试框图（见图10）

图10 方法2002测试框图

注：被测LED器件发射的光辐射经积分球壁的多次反射，导致产生一个均匀的与辐射通量成比例的面辐射出射度，一个位于球壁的探测器测量这个面辐射出射度，一个漫射屏挡住光线，不使探测器直接照射到被测器件的光辐射。被测器件、漫射屏、开孔的面积和球面积比较应该相对较小，球内壁和漫射屏表面应有均匀的高反射率漫反射镀层（最小0.8）。球和探测器组合应该用辐射标准进行校准,测量单位为瓦特。应该考虑到峰值发射波长和辐射通量由于功率消耗产生的变化。
6.2.4.3 测量步骤
被测量器件放在积分球入口处，不要使光线直接到达探测器，给被测器件施加规定的正向电流I_F ，辐射探测系统测量出辐射通量，将辐射通量数值除以正向电流I_F 和正向电压V_F 的乘积值即为辐射效率。
6.2.4.4 规定条件
环境和管基温度；
正向电流。
6.2.5 方法2005：峰值发射波长、光谱辐射带宽和光谱功率分布
6.2.5.1 目的
在规定正向工作电流下，测量被测LED器件的峰值发射波长，光谱辐射带宽和光谱功率分布。
6.2.5.2 测试框图（见图11）

图11 方法2005测试框图

D：被测LED器件；
G：电流源；
L：聚焦透镜系统；
G：电流源（直流或脉冲）；
D₂,D₃：消除杂散光光栏；
M：单色仪；
RM：包括光阑D₁的辐射探测系统。

注：单色仪的波长分辨率和带宽应该使测试有合适的精度。辐射探测系统的光谱响应应该校准。为便于测量，曲线峰值可以用100％表示。如果单色仪的光谱透过率和辐射探测系统的光谱灵敏度不是常数，记录的测量数据应该修正。
6.2.5.3 测量步骤
在需要的光谱范围内调整单色仪的波长直到辐射测量系统获得最大读数，相应的波长就是峰值波长（λ_p ），然后往λ_p 的两边调整单色仪的波长直到峰值波长读数的一半，获得相对应的波长λ₁ 和λ₂ ，两者之差就是光谱辐射带宽（见图12）。按照要求的波长间隔分别测量记录每个波长时的光谱功率数值，即为光谱功率分布。

6.2.5.4 规定条件
环境和管基温度；
规定的正向电流（直流或脉冲）。
6.3 3000类：光电特性测试方法
6.3.1 方法3001: 开关时间
6.3.1.1 目的
测量被测LED器件的开启时间t_on （开启延时时间t_d(on) ＋上升时间t_r ）和关闭时间t_off （关闭延时时间t_d(off) ＋下降时间t_r ）。
6.3.1.2 测试框图（见图13）

图13 方法3001测试框图

D：被测LED器件；
G₁：高阻电流脉冲发生器；
G₂：直流电流偏置电源；
G₃：直流电压偏置电源；
R_d: 匹配发生器阻抗的电阻；
R_L: 负载电阻；
M：测量仪器；
PD：光电二极管；
Syn：同步信号。

注：光电二极管的开关时间，实验电路和测量仪器的延迟时间，输入电流脉冲的上升时间和下降时间都应该足够短以保证不影响测量精度。在光脉冲顶部获得的平均输出功率（见图1）没有必要等于直流偏置电流与输入脉冲电流之和时的连续辐射功率。
6.3.1.3 测量步骤
把规定的直流和脉冲电流加到被测器件，用测量仪器M测量开关时间。100％的辐射输出功率电平就是辐射脉冲顶端获得的平均输出功率。0％电平是在直流偏置电流时的输出功率。
6.3.1.4 规定条件
环境和管基温度；
直流偏置电流；
光学窗口；
光学结构。

7 量值传递
发光强度是LED器件主要光参数，由于有些LED非点光源且各向异性，在近场条件下,LED光度测试过程中会产生很多误差。因此CIE推荐用LED平均强度的概念来作为LED发光强度测量的基础.目前最好的LED测试技术是将被测LED和在光谱和空间功率分布与其尽可能接近一致的参照标准样管进行比对测试.发光强度测试仪器和参照标准样管的标定和校准必须采用统一的方法和基准。
8.1 原理
发光强度的单位是坎德拉（candela，符号为cd），它是国际单位制的七个基本单位之一。1979年前世界上只有9个国家建立了光强基准，我国很早就建立了光度基准和2856K色温的光强度工作基准。因此，确定由国家或省（市）级法定计量测试部门标定的2856K光强标准灯作为发光强度传递的工具。
8.2 方法
a）用色温为2856K的光强标准灯对LED测试系统进行校准和标定。
b）用具有CIE标准光度观测者光谱响应的光电探测器分别对专门挑选的LED器件和色温为2856K的光强标准灯进行比对测试，对不同光谱功率分布的LED器件求得他们的光谱修正系数(SCF,Spectral correction factor),从而把标准灯光强数值传递到LED器件上，以此作为LED光强参照标准样管.但是作为参照标准样管的LED器件必须有严格的要求。它们主要是：
--优良的稳定性，必须进行严格的筛选和老化,必须规定最少老化时间；
--采用光轴和机械轴重合的LED器件作参照样管.或采用光强（辐射）分布图形近似为圆形的器件。
--参照标准样管工作时,必须使其在恒定的温度和驱动电流(20mA)下工作,保证其有一个恒定的光学输出.
c）建立专门实验室进行仲裁性测试和各种参照标准样管的定标。

附录1. 基本辐射度量和光度量

1. 辐射度量
1.1 辐射能Q_e radiant energy
以辐射的形式发射,传输和接收的能量,单位为J(焦耳)。

1.2 辐射通量Φ_e radiant flux
辐射通量又常称为辐射功率(radiant power)P_e ,是辐射源发射,传输和接收的功率.单位为瓦(W),如以t表示时间,辐射通量定义为

Φe =dQe/dt

1.3 辐射强度I_e radiant intensity
辐射强度定义为在给定方向上的立体角元内,离开点辐射源(或辐射源面元)的辐射通量dΦ_e与该立体角元 dΩ的比值.单位为瓦／球面度(W/sr ).

Ie =dΦe/dΩ

1.4 辐射亮度L_e radiance
辐射源面上面积为dS 的一点沿给定方向上的辐射强度dI_e 与该点在垂直于给定方向的平面上正投影面积的比值定义为给定方向上的辐射亮度.单位为W/(sr·m²)

1.5 辐射照度E_e irradiance
照射在辐射接收面上一点的辐射通量dΦe 与该点面积dA的比值。即

Ee=dΦe/dA

单位为W/m² 。
2. 光度量
2.1 光量 quantity of light or luminance energy
光通量和光照射时间的乘积,单位为流明秒(lumen second) 。

2.2 光通量Φ_v luminous flux
光源在单位时间内发出的光量,单位为流明(lumen),符号为lm。

Φv=dQv/dt

3.3 发光强度I_v luminous intensity
光源在给定方向上的一个很小的立体角元内所包含的光通量dΦ_v 与这个立体角dΩ 的比值,单位为坎德拉( cd)

Iv=dΦv /dΩ

3.4 光亮度L_v luminance
光源表面一点处的面元在给定方向上的发光强度dI_v 与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积的比值。单位为坎德拉每平方米(cd/m₂ )

Lv=dIv /(dScosθ)=d2(dΩdScosθ)

3.5 光照度E_v illuminance
照射在光接收面上一点处的面元上的光通量dΦ_v与该面元面积dS 的比值。单位为勒克斯(lux),常用lx表示。

Ev=dΦv /dS

附录2. LED器件颜色评价

LED器件的光辐射和自然界的所有颜色一样会对人眼产生视觉刺激，人们根据自己的感受评价LED器件的颜色特性，为避免这种评价的主观性，必须用物理的方法来对颜色进行计量（色度学）。目前在实际应用中常有术语误用情况等问题，因此完全有必要就LED器件的色度计量问题作叙述，以供参考。
1 颜色的心理属性和术语
人们根据颜色的外貌，按直观颜色视觉的心理感受，对颜色进行系统的归纳和排列，给以相应的文字描述和数字标记。颜色可以分为彩色和非彩色两大类：非彩色是指白色，黑色和各种深浅不同的灰色。它们构成所谓的黑白系列，研究表明颜色有三种心理特性，分别可以用色调、饱和度、明度来描述。
1.1 色调Hue
表示颜色相互区分的属性。可见光谱中不同波长的光辐射在视觉上表现为不同的色调，如红、绿、蓝和黄等。光源的色调取决于人眼对其辐射的光谱构成产生的感觉；物体的色调则取决于人眼对光源光谱组成和物体表面反射（或透射）的各波长辐射的比例所产生的感觉。
1.2 饱和度Saturation
指颜色的纯洁性。可见光谱中各单色光的饱和度最高，当单色光中掺入白光愈多时，则饱和度愈低。
1.3 明度Brightness
明度是人眼感觉到颜色的明亮程度。颜色的亮度越高，眼睛就越感觉明亮，即有较高的明度。物体色的黑白系列的非彩色代表物体的光反射率的变化，在视觉上就是明度的变化，愈接近白色，明度愈高。反之，愈接近黑色，明度愈低。
2 LED颜色测量
2.1 CIE1931－XYZ色度系统
颜色感觉是由于光辐射源的或被物体反射的光辐射作用于人眼的结果。因此，颜色不仅取决于光刺激，而且取决于人眼的视觉特性。关于颜色的测量和标准应该符合人眼的观测结果。但是，人眼的颜色特性对于不同的观测者或多或少会有差异，因此要求根据大量的观测者的颜色视觉实验，确定一组为匹配等能光谱色的三原色数据，?quot;标准色度观测者光谱三刺激值"，以此代表人眼的平均颜色视觉特性，用于色度学的测量和计算。
CIE（国际照明委员会）1931年在RGB系统的基础上采用设想的三原色（X），（Y），（Z）［分别代表红色，绿色和蓝色］，建立了CIE－1931色度图，同时将匹配等能光谱各种颜色的三原色数据标准化，确定?quot;CIE1931－XYZ标准色度学系统"。
CIE1931－XYZ色度系统是色度学基础。任何一种颜色均可以用CIE1931-XYZ色度图中它的色度坐标x,y和刺激值Y来表示。图16为CIE1931色度图。

                                                    

图16 CIE1931色度图

在这个系统中，色度坐标：

这里X、Y、Z为颜色的三刺激值，它们的数值表示了三原色匹配该颜色时相互之间的比例。一个等能光谱的白光是有相同数量的X、Y、Z组成。
2.2 色度坐标的计算
要计算LED器件的色度坐标及其它参数，如果已知器件的光谱功率（能量）分布，则可以按下式计算：

由于实际上很难用数学表达式来写出P(λ) ，因此常以求和来近似积分。这里Y对于光源来说，它为光源的亮度。对于物体色而言，K称为调整系数，它是将照明体或光源的Y值调整为100时得出，即：

2.3 分光光度法测量色度坐标
按方法2005测量得到被测LED器件的光谱功率分布P(λ)曲线后，可按9.2.2计算方法得到被测器件的色度坐标。
2.4 光电积分法测量色度坐标
把光电探测器的光谱响应用光学系统修正得和CIE1931标准色度观测者光谱三刺激值 一致，那么用这样的光探测系统就能一次性积分测量出被测器件光辐射的三刺激值。计算得到色度坐标。
2.5 主波长 Dominant wavelength
任何一个颜色都可以看作为用某一个光谱色按一定比例与一个参照光源（如CIE标准光源A、B、C等，能光源E，标准照明体D₆₅ 等）相混合而匹配出来的颜色，这个光谱色就是颜色的主波长。颜色的主波长相当于人眼观测到的颜色的色调（心理量）。
若已获得被测LED器件的色度坐标，就可以采用等能白光E光源（ x₀＝0.3333，y₀ ＝0.3333）作为参照光源来计算决定颜色的主波长。计算时根据色度图上连接参照光源色度点与样品颜色色度点的直线的斜率，查表读出直线与光谱轨迹的交点，确定主波长。
2.6 纯度 Purity
样品颜色接近主波长光谱色的程度就表示了该样品颜色的纯度。在CIE－1931色度图上，在颜色主波长线上用参照光源色度点到样品色度点的距离与参照光源色度点到光谱色色度点的距离之比来表示纯度。颜色的纯度和人眼观测到的颜色饱和度基本一致。
2.7 色温T_c Color temperature
光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时，称黑体的温度（T_C）为光源的色温度。为了求得光源的色温，需要先求得它的色度坐标，然后在色度图上由CIE1960UCS推导的ISO色温线求取色温。对于相对光谱功率分布偏离黑体相对光谱功率分布较远的光源，用色度坐标与其最靠近的黑体温度来表示该光源的相关色温，在色温线上求取相关色温。

      自高亮度白光lLED问世后，由于它具有发光效率高节电效果好，并且无污染、寿命长的特点，在照明应用上受到各国的重视。用白光LED作照明灯来取代传统照明灯的研发工作不断地进行着，取得了一些成果。这里举几个实例。

1. 采用白光LED作小型LCD彩屏的背光照明来取代冷阴极荧光灯（CCFT）。由于驱动白光LED有电路简单、无须正负电源、且效率高、尺寸小的特点，在便携式电子产品中获得极其广泛的应用。随着白光LED性能的提高，白光LED作背光源的应用不仅用于手机、游戏机、PDA、MP4、数码相机等小彩屏电子产品，目前已应用到屏幕尺寸更大的DVD、GPS及15英寸笔记本电脑中。它已成为LED最大用户之一，占LED年产量的30%左右。

2. 采用白光LED作小型数码相机的闪光灯来取代传统的氙灯。由于采用短时间脉冲给LED供电可以比额定电流大一倍，给出的强光可满足相机补光的要求。驱动LED闪光灯的电路无须高压电源，也没有较长的时间充电的缺点，可获得更多的抓拍机会，并使电池使用时间更长。

图1  LED照明系统结构框图

图2  LED路灯照明系统结构框图

3. 采用太阳能电池、蓄电池及白光LED组成的真正绿色照明系统。我国的太阳能电池生产量很大，2006年已达到370MW,太阳能组件的生产能力已大于 1000MW.这对利用太阳能点亮白光LED灯创造了极为良好的条件。这不仅用于无电区，同样适合于城镇（在国外，主要依靠大量安装屋顶并网系统来发展太阳能光电产业）。目前我国已能生产成套适合牧区人民应用的白光LED照明系统，其结构框图如图1所示。在一些城市也采用太阳能电池、蓄电池及光控电路组成LED路灯，能自动地天黑点亮，天亮关断，其结构框图如图2所示。
       利用太阳能转化成电能来替代火力发电是最理想的，但大规模地应用太阳能电能是一个大的系统工程。虽然我国已能生产大量的太阳能电池，但可惜的是95%用于出口，留在国内应用仅5%，目前利用太阳能点亮LED灯仅仅还在起步阶段。

4. 采用白光LED来取代白炽灯的研发工作起步不晚，在2004年后不少单位采用Φ5高亮度白光LED开发出小功率LED灯泡（15W）、15～20W的管灯及40～60W的路灯、投射灯等产品，但并未量产。在我国南方一些工厂生产出各种1～5W LED灯泡及一些白光LED灯具，但大部分都出口而在国内市场上反而少见。目前成批生产的替代白炽灯的有：矿灯、各种手电筒、应急灯、小瓦数阅读灯及照明灯等。另外，有一些城市用LED路灯作试点工作，但尚未普及。

用白光LED灯取代白炽灯达到使火电厂减少二氧化碳、二氧化硫排放及节电的意义是十分重大的。北大宽禁带半导体研究中心张国义教授说：“如果全国居民用的电灯能有50%改用LED照明灯，每年节省的电量就是一个三峡发电站发电量的总和。”从目前来看，用白光LED灯取代白炽灯还刚开始，在 LED的用户中占很小的比例，不足LED年产量的3%。

发光效率突破100lm/W

随着半导体光电材料及工艺技术的进步及大功率白光LED的封装结构的改进，使得这两三年内白光LED的发光效率有长足的进步。1～5W的白光LED从以前的发光效率为30～40lm/W提高到50～60 lm/W，最近又提高到80lm/W。有一些顶级的发光效率可达100 lm/W以上。例如，Cree公司的一种4W冷白光LED，其光通量分挡，在350mA电流时其最高挡可达107～114lm（其功率为0.35A× 3.3V=1.15W，其发光效率为93～99lm/W），典型的发光效率是80lm/W，而发展的目标是200lm/W。

表1列出目前各种灯类的一些主要参数，从表1中可以看出，在发光效率上白光LED不仅远远地超过白炽灯，也超过普通荧光灯、紧凑型荧光灯（节能荧光灯），这意味着：白光LED灯比它们更亮、更节电；而在寿命上则遥遥领先。

大功率白光LED的发光效率的提高给设计白光LED灯创造了条件，目前逐步用1～3W大功率白光LED来取代小功率Φ5白光LED设计 LED灯。用1个到几个（或十几个）LED替代了几十个到几百个小功率Φ5白光LED，不仅增加了亮度、减小了体积，还提高了可靠性、简化了工艺。

例如，采用18个1W的白光LED组成的小型路灯可发出1440lm光通量，若采用白炽灯则需要100W。另外，用一个65lm的1W白光LED做成的强光手电筒，它可照射几十米远；若采用Φ5LED来做则是不可能做到的。

两则LED灯的喜讯
2007年LED灯有两则喜讯：
1. 丰田汽车发布了采用4颗400lm的白光LED及1颗200lm的白光LED组成的汽车头灯（前照灯），其总光通量为1800lm；
2. 韩国采用大功率白光LED作迷你型投影机的光源，其寿命可达20000小时（传统的光源寿命仅2000～3000小时）。

从这两则新型LED灯的信息中可以看到：白光LED不仅能用于一般照明灯，并且能由于强光灯。过去汽车除车头灯不能用LED来做外，其他车内外灯都可以用LED来做，这包括刹车灯及高位刹车灯、转弯灯、倒车灯、散雾灯及仪表报背光灯、车内照明灯等。预测在2010年后的汽车内外各种灯都会采用LED来做。汽车行业也将成为LED的大用户之一。

LED灯难进百姓家
上面已介绍了白光LED的特点及性能的提高，并开发出应用于各种场合的白光LED 灯，但LED灯难进百姓家。这不是生产上存在什么难题，主要原因是白光LED照明灯的发光效率还不太高，并且价格太贵，使一般百姓家难以接受。以家庭常用的白炽灯、节能荧光灯与相同亮度的白光LED灯的价格比较目前1W白光LED的单价是8～10元，3W的单价是20～25元（与LED的质量及品牌有关），另外还要驱动电路及结构件。再考虑生产厂家的利润及商业利润，则单价可能要120元以上。从表2可以看出：9W节能荧光灯的发光效率与LED差别不大，但单价要比同样功率的白光LED灯价格低十几倍以上。这是白光LED灯难进百姓家的主要原因。要等到大功率白光LED的价格降低8倍左右、发光效率提高到150lm/W时，LED灯才能普及，这可能要等几年。节能荧光灯的上市到普遍应用也有近二十年时间（这有质量上的提高及价格下降的过程），白光 LED灯的普及可能要比节能荧光灯快些（Φ5高亮度白光LED上市时单价大于1.5元，现在批量单价已降低到0.125～0.15元）。

LED灯路在何方
白光LED照明灯的推广及普及的意义十分重大，但真的要在我国进入百姓家还有很多工作要做，要在技术上（发光效率达到120～150lm/W）、价格上（要比现在的价格降低8～10倍）有重大的突破，还需要不断的努力。白光LED照明灯的推广及普及工作是一项系统工程、重大项目，需要国家的规划、引导及扶持，在政策上及经济上的支持。

我国现在在上海、南昌、大连、厦门已建立四大半导体照明基地及有关科研单位，他们将对LED灯的推广工作起到重大作用。

目前LED照明灯虽然还难进百姓家，但是还有很多领域可以大量地应用LED照明灯。这些领域的应用可促进大功率白光LED的生产、可促进技术的提高，并可降低生产成本。在LED照明设计、应用上也可获得更多的经验，有利于将来的推广。这些应用领域都是用电大户，对节电能起到很大作用。它们是:
1. 城镇街道的路灯系统（包括太阳能路灯系统）；
2. 隧道及地下停车场（包括地下商场）；
3. 交通工具的照明（汽车、电车、轮船、飞机等的内部及部分外部照明灯）；
4. 大的公共场所的LED照明系统，例如火车站、地铁站、飞机场、大型超市、大型百货公司、大厦及医院等；
5. 无电区的LED灯照明工程。

由于LED照明灯一般采用低压直流（恒流）供电。若采用交流220V市电供电，需要专门的变电装置输出低压直流电（如12V、24V等）并由LED驱动器来驱动LED灯，如图3所示。所以最好在新建这些建筑时就考虑到用LED灯，则在建筑设计中都把它设计在内，这要经济得多。而归建筑原用日光灯的照明系统要改造成LED照明，则改造的费用大、改造的时间长（如改造一个地铁站或一个候机大厅的照明系统）。

新建LED照明供电系统需要比传统照明供电系统要复杂些，费用要高得多，如果没有政策的支持及经济的扶持是难以成功的。



结束语
LED灯的应用是一个综合技术的应用，它涉及到LED、太阳能电池、蓄电池、AC/DC转换器、LED驱动器等各个领域的技术。但目前关键技术问题还是LED的发光效率不够高、生产成本不够低。要使LED灯进入千家万户，可能还要等几年。

                 高功率LED发展趋势

前言：

　　LED自发明以来，时至今日，已深入生活各个角落，因LED本身各方面优势，使传统发光组件正逐一被LED所取代，目前市场正积极导入室内用照明区块。

本文：

　　LED，从早期传统的炮弹封装，发展到现在的平板型封装，已经历多年演化，运用在传统的电子零组件或最新型显示器，LED俨然是个不可或缺的角色。LED基本发光原理是利用电子能阶迁移，释放出能量、产生光，最简单的构造是将发光层夹于正负极，导电透过电子能阶让发光层发量。

图说：传统型态与新形态各异，使用的层面也不同。

图说：在阳极与阴极施加直流电时，电子(＋)和电洞(－)便会在发光层开始会合，并且互相配对结合，透过这种结合，发光层可获得能量，但是此种能量并不稳定，于是又再返回基本的「基底状态」，而再返回基底状态的过程，便发出光亮。

　　制程方面，大体上可分为3步骤，前处理、成膜、封装。前处理着重基板处理，成膜工程则是分别镀上不同的膜，此阶段可决定LED成品的发光属性，最后封装是将基板切割，成为不同型态晶粒。封装的内部也有着不同的型态，有的是采单一晶粒，有的是用多粒晶粒，由于目前并没有制式的规范，各家厂商在开发制造是以应用作考虑，例如:所需的颜色、发光的强度、大小尺寸等。

　　厂商一旦设定好所需颜色，就会选用适当晶粒，再视内部晶粒封装方式弹性选择搭配方法，像是简单的导线封装或是COB封装(chip on board)，再搭配不同散热性质的基板，像是选择亮度、色度足够？或是散热优先？，如此一来，符合期待的产品就产生了。当市场需要高功率、高亮度、柔和的室内白光源，同样类似的流程就会再跑数次，以期望找到最适化的产品，一旦某个环节达不到客户需求，就会针对该部分重新研究发展。

图说：在基板镀上各层属性不同的膜，切割成晶粒，封装即可依需求组装成品。

LED发出的光，具有指向性，而且是有高纯度的单色光，这2项特点让使用方式与传统光源有明显差异，例如用于单色指示灯使用时，不需透过特殊配色滤镜，即可直接输出纯色光，节省50%以上能源。而指向性光源，在设计灯具时，也较传统灯具略为不同，实务应用有时可以省略一些反射材料，达到节省、环保目的。

　　目前LED几大厂各自掌握一些核心技术与专利，日亚化学拥有白光专利、飞利浦Lumileds拥有红光专利，制造厂对专利问题都谨慎处理，一不小心诉讼官司就会缠身。

　　RGB 3色光开发成功，让LED也正式跨足全彩光谱领域，除了透过三色光混出白色光源，也可以利用三色LED制造出显示器和户外大型广告牌。在研发过程中，在Lumileds任职的 Roland Haitz 曾提出LED每隔18-24个月，亮度就会提高一倍的理论，而实际上LED亮度早已超越此项理论，使高亮度LED照明可以提早为人类所服务。

台湾LED的市场与未来方向

　　台湾的LED产量占世界第一，不但是许多大厂的代工厂，本身也推出许多商品，可与市场应用接轨。电子零件上的用途、显示器的背光用途、或是直接拿来当作显示器、都是已经商化的产品，高功率的LED陆续发表后，取代照明市场是下一个LED所扮演的重要角色。 在市场应用中，将LED用于手机背光光源用途，曾出现过高峰需求，而这个高峰期也打开LED的各式应用层面，增加了不少的商机，及材料上的不可取代性。

　　在未来，车用、显示器、各种号志灯、照明、或是其它照明器材，都有机会再创下波应用高峰，其中最令人期待的应用高峰，应是用于显示器及照明用途，目前各大厂都极度看好这2区块的前景，也加紧脚步布局开发新品因应。就LED汽车应用来说，目前仍以车内用途为最大宗，如用于仪表板、阅读灯...等，而车尾指示灯的使用率也逐渐增加中，在2007年LEXUS与AUDI也推出了以LED作车头灯的车款，但这块应用领域，国内还在摸索阶段。

图说：LED有机会可取代所有车用传统灯源。

图说：LEXUS利用复眼式LED作为车头灯。

　　LED显示器的背光源可大致分2大类，1是利用白光LED光源、另1类是利用彩色光源混成白光。

　　目前的技术层面，白光LED的发光效率较佳，目前普遍用于显示器的背光用途，因LED体积小、不占空间，未来有机会全面替代冷阴极管；而利用彩色LED混光的背光方式，多用于高阶显示器，以强化屏幕画质。

图说：LED背光有许多优点，在高阶的显示器产品上，目前有以LED背光取代传统冷阴极管的趋势。

　　而照明市场形态与显示器相仿，虽然强调高亮度、高功率，也多以纯白光为主，但设计师或是终端客户要求演色性或是柔和感，仍会采用多色混色成的白光光源，达到所需效果。

　　在下游厂商切入的角度面来看，显示器和照明应用是壁垒分明的2大领域，而照明区域也区分成装潢或纯照明，小型厂商不愿意投入大量资金切入高功率的系统发展，而比较倾向大型工程的装潢，如营业用广告牌或是建筑物外观，从中间获取较大利益。而中上游厂商则对纯照明用途抱持着积极态度，开发出更贴近传统灯具的LED模块，以期望市场需求增加时，有足够的技术以及产能，满足消费者需求。

　　由于发光特性与传统灯具不同，消费者或是终端用户，会习惯性用传统光源概念去检视LED新商品，设计或是宣传销售上，厂商必须把未来在市场的可能性加以考虑，以便更快的打入市场。

高功率LED的用途与需求

　　目前市面上看到LED类型，不外乎是电子零件、广告广告牌、户外大型显示、及室内情境式装潢，真正作为照明用途者非常少，原因在于真正作为照明需求，所需光的质与量，比一般的LED能办到的要高出许多。

　　光线用于照明需求大略可分3种，首先讲求的是光强度、其次是演色性、最后即是光照的均匀度。

　　光的强度足够：才能够远距离的辨识物体，但国内LED厂商对于这部分会以lm/W作基本表示，相对于大家熟悉的烛光反而不使用，原因在于发光的类型截然不同。

　　演色性佳：可以感受灯光带来的舒适感，所得演色性是指物体在太阳光下所呈现得正常颜色，以百分比作基准，Ra-100为100%也就是正常得太阳光源下的表现。

　　高亮度：LED目前最常用得技术是蓝色发光层发出的白光，强度够，但演色性不良，新的技术是利用黄色发光层，发出演色性表现更佳的光源，但这部分牵涉到专利，多数厂商会选用R、G、B三色混光，达到最佳的表现效果。

　　光照的均匀度够，像在室内就可让整个空间明亮表现均衡，而以上的3点正是当前高功率LED最重要的研发课题。目前各家厂商都致力发展高功率的LED产品，虽然已有许多新的成就，但随着功率提高，散热问题势必是第一个面临到的关卡。

                   高功率LED基板未来展望

前言：

　　一般使用的功率或是低功率LED封装，普通电子业界用的PCB版及可以满足需求，但是随着市场需求的层次扩大，迎接高功率的时机到来，PCB基板渐渐的不敷使用...

内文：

　　在LED产业前景一片看好时，高功率LED是目前大家关注的焦点，发展高功率的利基点，除了考虑台湾产业本身的结构链、高功率的组态和散热方式、散热基板的发展背景以及目前散热基板的技术演进。

LED散热的原理与结构

　　高功率的LED，所输入能源只有20%转化成光，其余的都以热的形态消耗掉，若这些热能未能及时的排出外界，那么LED的寿命就会因此大打折扣。那么LED的热能是如何排出的呢？LED散热能力通常受照封装模式、及使用材质的导热性所影响，热的散逸途径不外乎传导、对流、辐射这3大类，而LED的封装材料里积聚的热能，大部分是以传导方散出，所以封装方式和材质选用就相当关键。

　　传统炮弹型封装，以插件式运用，广泛运在家电或是通讯产品的指示灯，常看到的颜色多为红、黄、绿色光等，但因为大部分LED产生的热只能藉由2根导线，往组装的基板上导热，散热效果不佳。

　　平板型的封装方式，因为整体与基板贴合，整体导热面积增加，加上近年来基板材质已针对散热，作许多研发与改良，LED运用也就更为广泛。

图说：传统与新型态的封装方式。

LED散热基板的种类

　　目前常见的基板种类有，硬式印刷电路板、高热导系数铝基板、陶瓷基板、软式印刷电路板、金属复合材料。硬式印刷电路板(Printed Circuit Board；PCB)，多用于各项电子基板，最常见到的就是计算机内部的各项组件，如主机板、显示卡、声卡…等。台湾发展了30多年，有完整的体系，从上游到下游，有助于LED基板的发展。

　　传统的PCB板，无法乘载高功率的热能，发展仍停在低功率的LED，但由于转型、投资、技术等其它考虑，并不会往高功率的LED生产研发方向规划，而会以现有的机台、或是利用其它电子基板技术转移到LED运用上，达到降低成本、提高效率目的。

　　高热导系数铝基板(Metal Core PCB；MCPCB)，，是以PCB将下方基材改为铝合金，一般来说纯铝的散热系数k(W/mK)较铝合金高，但由于纯铝的硬度不高造成使用上的困难，所以会以铝合金的型式，来制作基板。

　　在MCPCB国内厂商发展出不同型态的种类，有以软板取代氧化铝板方式，发挥高效能的散热，也有的厂商改变树脂配方，不但将涂布的关键技术提升，也顾虑到基材的环保问题。

图说：传统电子零件用PCB板与LED用PCB板，在材料本质上架构相同，但为了达到不同用途，还是会有微小差异。(许家铭 摄)

　　陶瓷基板目前有3大类，Al2O3(氧化铝)、LTCC(低温共烧陶瓷)、AlN(氮化铝)，技术门坎性而言，但AlN最高、LTCC次之。

　　由陶瓷烧结而成得LED基板，有散热性佳、耐高温、耐潮湿等优点。但是价格高出传统基板数倍，所以至今仍不是散热型基板主要组件，但若不考虑价格因素，陶瓷基板是为最佳首选。

　　未来需要耐高温的LED，会以需长时间照明的路灯、需强光照明的医疗灯具...等用途为主，陶瓷基板的优势，要选择需高度散热的商品，且需有完备规格，才能符合生产效益比，才会有前景。

图说：不同种类陶瓷基板，以瓦数、内部颜色组件作区分。

　　软式印刷电路板(FPC)具有重量轻、可挠性、厚度薄、运用空间灵活等优点，热传导系数优于传统PCB基板或是MCPCB基板，且应用面积大于陶瓷基板。

图说：软性电路板的基本结构，由胶片组成，具有高度可曲挠性，可以用于狭窄空间中。

图说：软性电路板已广为运用在LED基板上，其柔软特色，可简单组装在空间狭小的电器内。

　　金属复合技术，学理上热传导率高、导热性好，工研院曾发表过相关技术，但相关技术仍处于实验阶段，良率偏低，目前在市场并没有正式生产。

目前市场LED基板选用方式

　　PCB板属于低功率LED封装，而大于1W(瓦)则以MCPCB为主，以亿光电子为例，并没有着重在任何基板种类，而完全是以市场需求和产品特性区分，用适合的素材匹配出最合宜的商品。相对于亿光这类生产多元商品的公司，禾伸堂则把主力放于陶瓷基板产品，一类由公司自行设计规格占总体10%，其余占90%则是由下游厂商委托制造。软板具有可曲挠性，可应用于特殊结构，且热导率与MCPCB接近，特别适用在小体积、需折迭类型的商品。

　　LED散热基板的市场需求量，预估2009年会迅速的膨胀，相机闪光灯、手机面板背光、按键，车用灯、显示器、笔记型计算机、桌上型显示器、电视的背光源，以及室内照明、路灯...等。都将由LED扮演要角，在未来的商机非常可观。
            高功率LED热效应推动封装基板革命

长久以来，显示应用一直是LED的主要诉求，对于LED的散热性要求不甚高的情况下，LED多利用传统树脂基板进行封装。2000年以后，随LED高辉度化与高效率化技术发展，再加上蓝光LED发光效率大幅改善，与LED制造成本持续下滑，让LED应用范围、及有意愿采用LED的产业范围不断扩增，包括液晶、家电、汽车等业者，也开始积极考虑应用LED的可能性，例如消费性产品业者对于高功率LED的期待是，能达到省电、高辉度、长使用寿命、高色再现性，这代表着达到高散热性能力，是高功率LED封装基板不可欠缺的条件。

　　此外，液晶面板业者面临欧盟RoHS规范，需正视将冷阴极灯管全面无水银化的环保压力，造成市场对于高功率LED的需求更加急迫。

　　LED封装除了保护内部LED芯片外，还兼具LED芯片与外部作电气连接、散热等功能。

环氧树脂特性已不符合高功率LED需求

　　1个LED能达到几百流明，这基本上不是大问题，主要的问题是，如何去处理散热？接下来在产生这么大的流明后，如何维持亮度的稳定与持续性，这又是另一个重要课题，若热处理没有做好的话，LED的亮度和寿命会下降很快，对于LED来说，如何做到有效的可靠度和热传导，是非常重要。

　　以往LED是使用低热传导率树脂进行封装，不过这被视为是影响散热特性的原因之一，此外，环氧树脂耐热性比较差，可能会出现的情况是，在LED芯片本身的寿命未到达前，环氧树脂就已呈现变色情况，因此，提高散热性已是重要关键。除此之外，不仅因为热现象会对环氧树脂产生变化，甚至短波长也会对环氧树脂造成问题，这是因为白光LED发光光谱中，也包含短波长光线，而环氧树脂却相当容易受白光LED中的短波长光线破坏，即使是低功率白光LED，已能使环氧树脂破坏现象加剧，更何况高功率白光LED所发出的短波长光线更多，恶化自然比低功率款式更加快速，甚至有些产品在连续点亮后的使用寿命仅5,000小时，甚至更短！所以，与其不断克服因旧有封装材料「环氧树脂」带来的变色困扰，不如朝寻求新1代的封装材料努力。

图说：环氧树脂耐热性比较差，在LED芯片本身的寿命到达前，环氧树脂就已出现变色。

金属基板成新焦点

　　因此最近几年逐渐改用高热传导陶瓷，或是金属树脂封装结构，就是为了解决散热、与强化原有特性做的努力。LED芯片高功率化常用方式是：芯片大型化、改善发光效率、采用高取光效率的封装、及大电流化。这类做法虽然电流发光量会呈比例增加，不过发热量也会随之上升。

　　对高功率LED封装技术上而言，由于散热的问题造成了一定程度的困扰，在此背景下具有高成本效益的金属基板技术，就成了LED高效率化之后另1个备受关心的新发展。

　　过去由于LED输出功率较小，因此使用传统FR4等玻璃环氧树脂封装基板，并不会造成太大的散热问题，但应用于照明用的高功率LED，其发光效率约为20%~30%左右，虽芯片面积相当小，整体消费电力也不高，不过单位面积的发热量却很大。

　　一般来说，树脂基板的散热，只能够支持0.5W以下的LED，超过0.5W以上的LED，多改用金属或陶瓷高散热基板进行封装，主要原因是，基板的散热性直接影响LED寿命与性能，因此封装基板成为设计高辉度LED商品的开发重点。

图说：LED芯片大多利用芯片大型化、改善发光效率、采高取光效率封装，及大电流化达高亮度目标。

高功率加速金属基板取代树脂材料

　　关于LED封装基板散热设计，目前大致可以分成，LED芯片至封装体的热传导、及封装体至外部的热传达两大部分。使用高热传导材时，封装内部的温差会变小，此时热流不会呈局部性集中，LED芯片整体产生的热流，呈放射状流至封装内部各角落，所以利用高热传导材料，可提高内部的热扩散性。

　　就热传导的改善来说，几乎是完全仰赖材料提升来解决问题。多数人均认为，随LED芯片大型化、大电流化、高功率化发展，会加速金属封装取代传统树脂封装方式。

　　就目前金属高散热基板材料而言，可分成硬质与可挠曲两种基板，结构上，硬质基板属于传统金属材料，金属LED封装基板采铝与铜等材料，绝缘层部分，大多采充填高热传导性无机填充物，拥有高热传导性、加工性、电磁波遮蔽性、耐热冲击性等金属特性，厚度方面通常大于1mm，大多都广泛应用在LED灯具模块，与照明模块等，技术上是与铝质基板具相同高热传导能力，在高散热要求下，相当有能力担任高功率LED封装材料。

各封装基板业者正积极开发可挠曲基板

　　可挠曲基板的出现，原期望应用在汽车导航的LCD背光模块薄形化需求而开发，以及高功率LED可以完成立体封装要求下产生，基本上可挠曲基板以铝为材料，是利应用铝的高热传导性与轻量化特性，制成高密度封装基板，透过铝质基板薄板化后，达可挠曲特性，并且也能够具高热传导特性

　　一般而言，金属封装基板热传导率大约是2W/m‧K，但由于高效率LED的热效应更高，所以为了满足达到4~6W/m‧K热传导率的需要，目前已有热传导率超过8W/m‧K的金属封装基板。由于硬质金属封装基板主要目的是，能够满足高功率LED的封装，因此各封装基板业者正积极开发可以提高热传导率的技术。虽然利用铝板质补强板可以提高散热性，不过却有成本与组装的限制，无法根本解决问题。

　　不过，金属封装基板的缺点是，金属热膨胀系数很大，当与低热膨胀系数陶瓷芯片焊接时，容易受热循环冲击，所以当使用氮化铝封装时，金属封装基板可能会发生不协调现象，因此必需克服LED中，各种不同热膨胀系数材料，所造成的热应力差异，提高封装基板的可靠性。

图说：透过铝质基板薄板化后，达可挠曲特性，并也能具有高热传导特性。

　　高热传导挠曲基板，是在绝缘层黏贴金属箔，虽然基本结构与传统挠曲基板完全相同，不过在绝缘层方面，是采用软质环氧树脂充填高热传导性无机填充物，因此具有8W/m‧K的高热传导性，同时还兼具柔软可挠曲、高热传导特性与高可靠性，此外可挠曲基板还可以依照客户需求，可将单面单层板设计成单面双层、双面双层结构。根据实验结果显示，使用高热传导挠曲基板时，LED的温度大约降低摄氏100度，这代表着温度造成LED使用寿命降低的问题，将可因变更基板设计而大幅改善。

　　事实上，除高功率LED外，高热传导挠曲基板，还可应用在其它高功率半导体组件上，适用于空间有限、或是高密度封装等环境。不过，仅仅依赖封装基板，往往无法满足实际需求，因此基板外围材料的配合也变得益形重要，例如配合3W/m‧K的热传导性膜片，就能够有效再提高其散热性。

       台湾工研院光电所目前宣布已成功开发出可直接插电于110V交流电压使用的交流发光二极管（简称AC LED），将可立即应用于工业及民生产品，如指示灯等，全世界仅有美、韩有此技术，光电所AC LED的开发成功，将使国内的LED技术迈向全新的里程碑。

全面考虑性能参数 半导体发光二极管(LED)因其体积小、定向发射光、高亮度、PN结电特性等特点，从而在品质的评价和检测方法方面产生许多新的问题。不同的应用场合，决定了对LED产品的性能要求。从光学性能来看，用于显示的LED，主要是亮度、视角分布、颜色等参数。用于普通照明的LED，更注重光通量、光束的空间分布、颜色、显色特性等参数，而生物应用的LED，则更关心生物有效辐射功率、有效辐射照度等参数。此外，发光二极管既是一种光源，又是一种功率型的半导体器件，因此有关它的质量必须从光学、电学和热学等诸多方面进行综合评价。 从目前LED产品的结构及产业发展的角度看，照明LED产品主要需考虑光学性能、电性能、热性能、辐射安全和寿命等几方面的参数。 光学性能：LED的光学性能主要涉及到光谱、光度和色度等方面的性能要求。根据新制定的行业标准“半导体发光二极管测试方法”，主要有发光峰值波长、光谱辐射带宽、轴向发光强度、光束半强度角、光通量、辐射通量、发光效率、色品坐标、相关色温、色纯度和主波长、显色指数等参数。显示用的LED，主要是视觉的直观效果，因此对相关色温和显色指数不作要求，而照明用的白光LED，上述两个参数就尤为重要，它是照明气氛和效果的重要指标，而色纯度和主波长一般没有要求。 电性能：LED的PN结电特性，决定了LED在照明应用中区别于传统光源的电气性能，即单向非线性导电特性、低电压驱动以及对静电敏感等特点。目前主要的测量参数包括正向驱动电流、正向压降、反向漏电流、反向击穿电压和静电敏感度等。 热性能：照明用LED发光效率和功率的提高是当前LED产业发展的关键问题之一，与此同时，LED的PN结温度及壳体散热问题显得尤为重要，一般用热阻、壳体温度、结温等参数表示。 辐射安全：目前，国际电工委员会IEC将LED产品等同于半导体激光器的要求进行辐射的安全测试和论证。因LED是窄光束、高亮度的发光器件，考虑到其辐射可能对人眼视网膜的危害，因此，对于不同场合应用的LED，国际标准规定了其有效辐射的限值要求和测试方法。目前在欧盟和美国，照明LED产品的辐射安全作为一项强制性的安全要求执行。 可*性和寿命：可*性指标是衡量LED在各种环境中正常工作的能力。在液晶背光源和大屏幕显示中特别重要。寿命是评价LED产品可用周期的质量指标，通常用有效寿命或终了寿命表示。在照明应用中，有效寿命是指LED在额定功率条件下，光通量衰减到初始值的规定百分比时所持续的时间。 重视制定测量标准 LED的发光面小、光束狭窄、亮度高等特点决定了其检测的特殊性，为了应对这个问题，CIE分别成立了“TC2-45 LED测量”和“TC2-46 CIE/ISO LED强度测量标准”两个技术委员会。CIETC2-34小组于1997年10月在维也纳总部召开会议，制定并推荐了CIE127-1997 LED测量标准，它涉及LED辐射度、光度和色度测量。但是由于近年来LED的技术发展迅速，尤其是照明用白光LED的产品，许多问题是过去所未考虑到的。因此，在1999年日本京都举行的CIE年会上，与会的发达国家代表提议，由CIETC2-34制定白光LED照明器具标准，日本代表团还提交了一般照明用白光LED的两项标准草案。 为了发展照明LED技术，发达国家都非常重视LED测试方法及标准的研究。例如美国国家标准检测研究所(NIST)组织国际知名测试专家开展LED测试的研究，重点研究LED发光特性、温度特性和光衰特性等测试方法，试图建立整套的LED测试方法和技术标准，在LED测试方面已经走在了世界的前列。日本成立了“白光LED测试研究委员会”，专门研究照明用白光LED的测试方法和技术标准。世界发达国家为了抢占LED研究的制高点，在LED标准和测试方面都投入了大量的人力物力，在标准方面注重选择LED的特性参数及测试方法的研究。         在我国，半导体发光二极管测试方法目前尚无相应的国家标准，因此在不同的生产厂家以及用户之间经常产生很大争议。近年来，中国光协光电器件专业分会陆续组织了多次的半导体发光二极管测试方法的学术研讨和交流，业界人士逐步形成较为统一的认识，并制定了统一的行业标准SJ/T2355-2005“半导体发光二极管测试方法”，在行业内的产品交流、对比中发挥了重要作用。该标准不仅采纳了CIE127-1997“Measurement of LEDs”的方法，同时结合照明用功率型白光LED的发展需求，增加了显色特性、结温等参数的测量方法，为照明LED产品的发展提供了极为重要的依据。  近几年来，多芯片或多管组合型LED灯的发展亦非常迅速，而国内外还没有专门针对LED灯制定相应的检测标准。但是作为一种照明应用产品，国际电工委员会IEC和国际照明委员会CIE已有相关的测量标准。照明用LED灯的中心光强和光束角可参照IEC61341-1994的标准执行，同样国家标准GB/T 19658-2005“反射灯的中心光强和光束角的测量方法”已由浙大三色仪器公司负责起草完成，并于2005年8月开始实施。对于光谱辐射及颜色的测量，则可参照CIE NO.63文件及国家标准GB/T7922-2003等执行。 随着人们对光生物安全性的重视，根据国际电工委员会IEC60825标准的要求，LED灯或灯具产品必须按照类似于激光器件的要求进行辐射安全的检测。国内的企业普遍对此重视不够。随着国内更多的LED产品进入美国和欧盟等国际市场，将会涉及更多较为复杂的辐射安全的测试问题。对于目前发展迅速的宽光束LED产品，上述IEC标准的要求可能太苛刻。对于常规照明用的灯和灯系统，考虑到可能对人体皮肤和眼睛的健康造成的危害，国际电工委员会于2002年采纳了国际照明委员会的文件CIES009/E 2002“灯和灯系统的光生物安全性”，作为IEC的正式标准。为了应对国际上的变化，我国于2004年亦制定了相应的标准，该标准由国家电光源检测中心(北京)和浙江大学三色仪器有限公司负责起草，并将于近期正式发布。               努力开发检测仪器 国际上，美国、德国和日本等国家在LED的检测仪器方面起步较早，并形成了一定的特色。在国内，近几年LED的检测仪器发展非常迅速，已逐步研发成功了从LED芯片、发光材料、LED管、LED灯和灯具等产业的上、中、下游各个环节的检测仪器，包括实验室研发用的检测仪器、生产线上的自动检测和分选设备以及产品的品质检验用仪器。测量指标包括：光谱、光度、色度、辐射、电参数、热阻、可*性和寿命等参数。在实验室研发及品质检测仪器方面，基本上可以满足国内LED产品发展的一般需求。国内的仪器价格上往往有比较大的优势，只有进口仪器的几分之一，这对国内众多的中小型LED企业初期的产品质量的提高起到一定的积极作用。但是，由于某些仪器制造的技术水平以及对LED测量标准的认识差距，使得各个厂家之间的仪器测量结果往往存在明显的差别。典型的情况，如发光二极管的轴向光强的测量，普遍存在测量结果的可对比性差。对于同一LED管子，两个厂家之间的测量结果可能存在百分之十几，甚至百分之几十的误差，远远超过一般的光度测量精度范围。 目前，在LED光电测量中应特别注意下列几方面的问题：             首先，测量的标准 发光二极管的光辐射实际上是一种定向的成像光束，因此不能按照一般教科书中的光度测量规则测量和计算发光强度。也就是说，一般情况下发光强度不能简单地用探测面上的照度和距离平方反比定律来计算。CIE 127-1997“发光二极管测量”出版物把LED的强度测试确定为平均强度的概念，并规定了统一的测试结构，包括探测器接收面的大小和测量距离的要求。这样就为LED的准确测试比对奠定了基础。虽然CIE的文件并非国际标准，但目前已得到国际上的普遍认同和采用。我国的LED行业标准与该CIE文件的方法完全一致。 第二，光度测量传感器的光谱响应 目前，在LED测量仪器中所用的光度测量传感器是采用硅光电二极管和相应的视觉光谱响应校正滤光片组成。为了使探测器的光谱响应函数与CIE标准观察者光谱光视效率函数V(λ)一致，一般需由多片滤光片组成。由于受材料及工艺的限制，某些仪器的传感器在光谱匹配上存在一定的差异，当仪器出厂定标所用的标准源(通常采用2856K钨丝灯)与所测量的LED管的光谱存在较大差异时，测量的LED光度量值就会产生明显的偏差，而且对某些单色LED往往更加明显。因此应采用光谱响应曲线在各个波长符合度较好的高精度光度探测器，或者采用光谱辐射法测量，并由计算机加权积分，得到准确的测量结果。否则，必须采用LED标准样管对仪器进行定标或校正，才能得到比较一致的结果。  第三，测量的方向性 发光二极管发射光的方向性很强，测量方向的定位将明显影响测量结果的准确性。尤其在LED的轴向光强测量中，一些仪器没有对测量LED的方向作限定，这样就很难保证测量精度。 在LED的测试供电驱动中，LED本身结温的升高对电参数和发光的影响不容忽视。因此，测量时的环境温度及器件的温度平衡是非常重要的一项测量条件。 从国内外现有的LED检测仪器来看，基本上是针对发光二极管的测试要求。随着功率型LED的发展，对测试方法的统一和仪器的要求，越来越受到大家的关注。现有的许多测试仪器，对于照明用LED灯的测量将会带来很多新的问题。因此，在选购和使用LED测量仪器的过程中，必须根据产品的种类、特性及相关的国内外标准来确定。         随着LED产业的飞速发展，行业内应针对LED产品不同阶段的要求，尽快制定统一的检测方法和标准，形成符合实际需求、有中国自主知识产权的检测仪器，从而有利于上、中、下游各产业链的相互配合和协调发展，促进照明LED市场的规范以及中国企业参与国际市场竞争力的提高。值得注意的是，检测仪器是产品质量分析和判断的杠杆，仪器的精度和可*性应该是最重要的指标。中国的仪器制造企业，应该发展更多具有国际先进水平的检测仪器，满足照明LED产业不断发展的需求。

       與傳統光源一樣，半導體發光二極體（LED）在工作期間也會產生熱量，其多少取決於整體的發光效率。在外加電能量作用下，電子和空穴的輻射複合發生電致發光，在P-N結附近輻射出來的光還需經過晶片（chip）本身的半導體介質和封裝介質才能抵達外界（空氣）。綜合電流注入效率、輻射發光量子效率、晶片外部光取出效率等，最終大概只有30-40％的輸入電能轉化為光能，其餘60-70％的能量主要以非輻射複合發生的點陣振動的形式轉化熱能。

而晶片溫度的升高，則會增強非輻射複合，進一步消弱發光效率。因為，人們主觀上認為大功率 LED  沒有熱量，事實上確有。大量的熱，以至於在使用過程中發生問題。加上很多初次使用大功率LED 的人，對熱問題又不懂如何有效地解決，使得產品可靠性成為主要問題。那麼，LED 究竟有沒有熱量產生呢？能產生多少熱量呢？ LED 產生的熱量究竟有多大？

LED 在正向電壓下，電子從電源獲得能量，在電場的驅動下，克服PN 結的電場，由N 區躍遷到P 區，這些電子與P 區的空穴發生複合。由於漂移到P 區的自由電子具有高於P 區價電子的能量，複合時電子回到低能量態，多餘的能量以光子的形式放出。發出光子的波長與能量差 Eg 相關。可見，發光區主要在PN 結附近，發光是由於電子與空穴複合釋放能量的結果。一隻半導體二極體，電子在進入半導體區到離開半導體區的全部路程中，都會遇到電阻。簡單地從原理上看，半導體二極體的物理結構簡單地從原理上看，半導體二極體的物理結構源負極發出的電子和回到正極的電子數是相等的。普通的二極體，在發生電子－空穴對的複合是，由於能級差Eg的因素，釋放的光子光譜不在可見光範圍內。

電子在二極體內部的路途中，都會因電阻的存在而消耗功率。所消耗的功率符合電子學的基本定律：
P ＝I2 R ＝I2（RN ＋＋RP ）＋IVTH
式中：RN 是N 區體電阻
VTH 是PN 結的開啟電壓
RP 是P 區體電阻
消耗的功率產生的熱量為：
Q ＝  Pt
式中：t 為二極體通電的時間。

本質上，LED 依然是一隻半導體二極體。因此，LED 在正向工作時，它的工作過程符合上面的敍述。它所它所消耗的電功率為：
P LED = U LED × I LED
式中：U LED 是LED 光源兩端的正向電壓
I LED 是流過LED 的電流
這些消耗的電功率轉化為熱量放出：
Q＝P LED × t
式中：t 為通電時間

實際上，電子在P 區與空穴複合時釋放的能量，並不是由外電源直接提供的，而是由於該電子在N 區時，在沒有外電場時，它的能級就比P 區的價電子能級高出Eg。當它到達P 區後，與空穴複合而成為P 區的價電子時，它就會釋放出這麼多的能量。Eg 的大小是由材料本身決定的，與外電場無關。外電源對電子的作用只是推動它做定向移動，並克服PN 結的作用。

LED 的產熱量與光效無關；不存在百分之幾的電功率產生光，其餘百分之幾的電功率產生熱的關係。透過對大功率LED熱的產生、熱阻、結溫概念的理解和理論公式的推導及熱阻測量，我們可以研究大功率LED的實際封裝設計、評估和產品應用。需要說明的是熱量管理是在LED產品的發光效率不高的現階段的關鍵問題，從根本上提高發光效率以減少熱能的產生才是釜底抽薪之舉，這需要晶片製造、LED封裝及應用產品開發各環節技術的進步。

最薄的LED:WH108(首尔半导体（Seoul Semiconductor）) LED晶片寬1.6mm、長0.8mm、厚0.17mm。在5毫安培 (mA)的低電流下，其光度可達至240mcd。（December 11, 2007）

                                                                         chip-led(WH108)

最小的显示系统：在1mm左右的小面積內置入500顆以上的微型LED。（日本沖電氣工業株式會社OKI Digital Imaging）（12/26/2007）

CREE最亮绿光LED：XLamp XR-E系列的綠光LED。350mA時最大光強為87.5流明。（01/08/2008 ）

光效最大的红光：80lm/W（AlGaInP）（昭和电工(Showa Denko)） 2008年5月29日

光效最大的大功率白光：136lm/W（OSRAM 40mil芯片2008.7）

最亮单芯片：4A電流驅動時，冷白光型LED光通量爲1050lm、光效爲72 lm/W，暖白光型LED光通量爲760 lm，光效則爲52 lm/W。（CREE）(09/11/2007)

世界最大的LED屏幕：250米长、30米宽，总面积7500平方米的巨型“梦幻天幕”——北京世贸天阶，总耗资2.5亿元。

世界最大LED厂商：日本日亚

台湾最大的LED芯片生产商：晶电（晶元）

摘要：针对倒装芯片（Flipchip）大功率发光二极管器件，描述了大功率LED器件的热阻特性，建立了Flipchip衬底粘接材料的厚度和热导系数与粘接材料热阻的关系曲线，以三类典型粘接材料为例计算了不同厚度下的热阻，得出了Flipchip衬底粘接材料选择的不同对大功率LED的热阻存在较大影响的结论。
关键词：倒装芯片；粘接材料; 大功率LED; 热阻
中图分类号：TN305.94；TN15 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2005)06-0049-03

1 引言
　　1998年美国Lumileds Lighting公司封装出世界上第一个大功率LED（1W LUXOEN 器件），使LED器件从以前的指示灯应用变成可以替代传统照明的新型固体光源，引发了人类历史上继白炽灯发明以来的又一场照明革命。1W LUXOEN器件使LED的功率从几十毫瓦一跃超过1000毫瓦，单个器件的光通量也从不到1个 lm飞跃达到十几个lm。大功率LED由于芯片的功率密度很高，器件的设计者和制造者必须在结构和材料等方面对器件的热系统进行优化设计。
　　目前GaN基外延衬底材料有两大类[1] ：一类是以日本“日亚化学”为代表的蓝宝石；一类是美国CREE公司为代表的SiC衬底。传统的蓝宝石衬底GaN芯片结构如图1所示，电极刚好位于芯片的出光面。在这种结构中，小部分p-GaN层和“发光”层被刻蚀，以便与下面的n-GaN层形成电接触。光从最上面的p-GaN层取出。p-GaN层有限的电导率要求在p-GaN层表面再沉淀一层电流扩散的金属层。这个电流扩散层由Ni和Au组成，会吸收部分光，从而降低芯片的出光效率。为了减少发射光的吸收，电流扩展层的厚度应减少到几百纳米。厚度的减少反过来又限制了电流扩散层在p-GaN层表面均匀和可靠地扩散大电流的能力。因此这种p型接触结构制约了LED芯片的工作功率。同时这种结构pn结的热量通过蓝宝石衬底导出去，导热路径较长，由于蓝宝石的热导系数较金属低（为35W/m?K），因此，这种结构的LED芯片热阻会较大。此外，这种结构的p电极和引线也会挡住部分光线进入器件封装，所以，这种正装LED芯片的器件功率、出光效率和热性能均不可能是最优的。为了克服正装芯片的这些不足，Lumileds Light ing公司发明了倒装芯片（Flipchip）结构，如图2所示。在这种结构中，光从蓝宝石衬底取出，不必从电流扩散层取出。由于不从电流扩散层取光，这样不透光的电流扩散层可以加厚，增加Flipchip的电流密度。同时这种结构还可以将pn结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底（为145W/m?K），散热效果更优；而且在pn 结与p电极之间增加了一个反光层，又消除了电极和引线的挡光，因此这种结构具有电、光、热等方面最优的特性。本文仅对蓝宝石GaN倒装芯片的衬底粘接材料对大功率LED器件热特性的影响进行分析。

2 基于Flipchip的大功率LED热分析

　　我们知道，表征系统热性能的一个主要参数是系统的热阻。热阻的定义为：在热平衡的条件下，两规定点（或区域）温度差与产生这两点温度差的热耗散功率之比。热阻符号：Rθ或 Rth；热阻单位：K/W或℃/ W一般倒装型大功率LED表面贴装到金属线路板，也可以再安装外部热沉，增加散热效果，其内部结构以及外部应用结构如图3所示[2,3]。大功率LED芯片电极上焊接的数个BUMP（金球）与Si衬底上对应的BUMP通过共晶焊接在一起，Si衬底通过粘接材料与器件内部热沉粘接在一起。为了有较好的取光效果，热沉上制作有一个聚光杯，芯片安放在杯的中央，热沉选用高导热系数的金属材料如铜或铝。稳态时LED热阻的等效连接如图4所示。根据热阻的定义，可以得出

3 衬底粘接材料对大功率LED热特性的影响

　　LED倒装芯片被粘在管座（器件内部热沉）里，可以通过三种方式：导热胶粘贴、导电型银浆粘贴和锡浆粘贴。导热胶的硬化温度一般低于150℃，甚至可以在室温下固化，但导热胶的热导率较小，导热特性较差。导电型银浆粘贴的硬化温度一般低于200℃，既有良好的热导特性，又有较好的粘贴强度。锡浆粘贴的热导特性是三种方式中最优的，一般用于金属之间焊接，导电性能也非常优越。
　　在大功率LED器件的封装中，生产厂家容易忽略衬底粘接材料对器件热导特性的影响。其实衬底粘接材料在影响器件热导特性因素中是一个比较重要的因素，如果处理不好，将使得LED的热阻过大，导致在额定工作条件下器件的结温过高，导致器件的出光效率下降、可靠性降低。设倒装芯片衬底的横截面积为 A（m2），粘接材料的热导系数为λ（W/m?K），粘接材料的高度为h（m），则粘接材料的热阻为

　　下面我们以台湾国联光电公司的Flipchip为例进行分析。国联的芯片submount（衬底）是边长为55mil的正方形，即A为1.96×10-6m2。我们来分析热导系数为λ对粘贴材料热阻的影响。当h=20μm时，则

这三种情况的热阻与热导系数的关系曲线如图5所示。从图中可以看出，当选用铅锡焊料63Sn/37Pb，λ=39W/m?K，同时其厚度等于20μm 时，RθAttach等于0.026（K/W），即使其厚度为 100μm，RΘAttach也只等于0.131（K/W）；当选用热沉粘接胶Ablefilm 5020K，λ=0.7W/m?K，同时其厚度等于20μm时， RΘAttach等于1.457（K/W），当其厚度为100μm时， RΘAttach等于7.286（K/W）；当我们选用导电型芯片粘接胶 Ablebond 84-1LMISR4，λ=2.5W/m?K，同时其厚度等于20μm时，RΘAttach等于0.408（K/W），当其厚度为100μm时， RΘAttach等于2.041（K/W）。因此，选用不同的粘接材料对其热阻存在很大的影响，同时，在印刷或涂敷芯片粘接材料时，如何降低材料厚度也十分重要。

4 结语
　　LED芯片结温最高允许125℃，如果其最差工作环境温度为65℃，则对一个1W的大功率LED来说，考虑到从大功率器件外部热沉的热阻一般为40 （K/W），器件pn结至器件的热阻应小于20（K/W）。而对一个5W的大功率LED来说，如果其最差工作环境温度为65℃，则从pn结至环境的热阻要小于12 K/W才能保证芯片结温不超过125℃，而如果选用Ablefilm 5020K热沉粘接胶，λ=0.7W/m?K同时其厚度为100μm，仅芯片粘贴材料的热阻RΘAttach就等于7.286（K/W）。因此，在 Flipchip 大功率LED器件的封装中，选用合适的芯片衬底粘贴材料并在批量生产工艺中保证粘贴厚度尽量小，对保证器件的可靠性和出光特性是十分重要的。

前言
　　大功率LED封装由于结构和工艺复杂，并直接影响到LED的使用性能和寿命，一直是近年来的研究热点，特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。LED封装的功能主要包括：1.机械保护，以提高可靠性；2.加强散热，以降低芯片结温，提高LED性能；3.光学控制，提高出光效率，优化光束分布；4.供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制等。
　　LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展，LED封装先后经历了支架式(Lamp LED)、贴片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等发展阶段。随着芯片功率的增大，特别是固态照明技术发展的需求，对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻，提高出光效率，必须采用全新的技术思路来进行封装设计。

一 大功率高导热LED导电胶、导电银胶

导电胶是IED生产封装中不可或缺的一种胶水，其对导电银浆的要求是导电、导热性能要号，剪切强度要大，并且粘结力要强。

UNINWELL国际作为世界高端电子胶粘剂的领导品牌，公司以“您身边的高端电子粘结防护专家”为服务宗旨。公司开发的导电银胶、导电银浆、贴片胶、底部填充胶、TUFFY胶、LCM密封胶、UV胶、太阳能电池组件密封胶等八大系列光电胶粘剂具有最高的产品性价比，公司在全球拥有近百家世界五百强客户。最近，UNINWELL国际与上海常祥实业强强联合，共同开发中国高端电子胶粘剂市场。

UNINWELL国际开发的导电胶和导电银胶导电性好、剪切力强、流变性也很好、并且吸潮性低。特别适合大功率高高亮度LED的封装。

公司的专门开发的6886系列导电银胶，特别适合大功率高亮度LED用，导热系数为：25.8 剪切强度为：14.7，为行业之最。

二、大功率LED封装关键技术
　　大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面，这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从工艺兼容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与芯片设计同时进行，即芯片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等芯片制造完成后，可能由于封装的需要对芯片结构进行调整，从而延长了产品研发周期和工艺成本，有时甚至不可能。
具体而言，大功率LED封装的关键技术包括：
（一）低热阻封装工艺
　　对于现有的LED光效水平而言，由于输入电能的80％左右转变成为热量，且LED芯片面积小，因此，芯片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、封装材料选择（基板材料、热界面材料）与工艺、热沉设计等。
　　LED封装热阻主要包括材料（散热基板和热沉结构）内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括硅、金属（如铝，铜）、陶瓷（如Al2O3，AlN，SiC）和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底，将1mm芯片倒装在CuW衬底上，降低了封装热阻，提高了发光功率和效率；Lamina Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，并开发了相应的LED封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED芯片和相应的陶瓷基板，然后将LED芯片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热界面少，大大提高了散热性能，为大功率LED阵列封装提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或Al2O3）和导电层（Cu）在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强。其中氮化铝（AlN）的热导率为160W/mk，热膨胀系数为4.0×10－6/℃（与硅的热膨胀系数3.2×10－6/℃相当），从而降低了封装热应力。

　在LED使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：芯片内部结构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损失；以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此，很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶)，由于该胶层处于芯片和空气之间，从而有效减少了光子在界面的损失，提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。因此，要求其透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。为提高LED封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。硅胶由于具有透光率高，折射率大，热稳定性好，应力小，吸湿性低等特点，明显优于环氧树脂，在大功率LED封装中得到广泛应用，但成本较高。研究表明，提高硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高外量子效率，但硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率降低，从而影响LED光效和光强分布。

荧光粉的作用在于光色复合，形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性（热和化学）等，其中，发光效率和转换效率是关键。研究表明，随着温度上升，荧光粉量子效率降低,出光减少，辐射波长也会发生变化，从而引起白光LED色温、色度的变化，较高的温度还会加速荧光粉的老化。原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成，散热性能较差，当受到紫光或紫外光的辐射时，易发生温度猝灭和老化，使发光效率降低。此外，高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。由于常用荧光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配，以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限（30nm），因而在荧光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。通过在硅胶中掺入纳米荧光粉，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％），并能有效改善光色质量。
　　传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合，然后点涂在芯片上。由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制，导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光。而Lumileds公司开发的保形涂层（Conformal coating）技术可实现荧光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性。但研究表明，当荧光粉直接涂覆在芯片表面时，由于光散射的存在，出光效率较低。有鉴于此，美国Rensselaer 研究所提出了一种光子散射萃取工艺（Scattered Photon Extraction method，SPE)，通过在芯片表面布置一个聚焦透镜，并将含荧光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不仅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60％）。

1、引脚式（Lamp）LED封装
　　引脚式封装就是常用的Æ3－5mm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。主要用于仪表显示或指示，大规模集成时也可作为显示屏。其缺点在于封装热阻较大（一般高于100K/W），寿命较短。

2、表面组装（贴片）式（SMT－LED）封装
　　表面组装技术（SMT）是一种可以直接将封装好的器件贴、焊到PCB表面指定位置上的一种封装技术。具体而言，就是用特定的工具或设备将芯片引脚对准预先涂覆了粘接剂和焊膏的焊盘图形上，然后直接贴装到未钻安装孔的PCB 表面上，经过波峰焊或再流焊后，使器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接。SMT技术具有可靠性高、高频特性好、易于实现自动化等优点，是电子行业最流行的一种封装技术和工艺。

3、板上芯片直装式（COB）LED封装
　　COB是Chip On Board（板上芯片直装）的英文缩写，是一种通过粘胶剂或焊料将LED芯片直接粘贴到PCB板上，再通过引线键合实现芯片与PCB板间电互连的封装技术。PCB板可以是低成本的FR－4材料（玻璃纤维增强的环氧树脂），也可以是高热导的金属基或陶瓷基复合材料（如铝基板或覆铜陶瓷基板等）。而引线键合可采用高温下的热超声键合（金丝球焊）和常温下的超声波键合（铝劈刀焊接）。COB技术主要用于大功率多芯片阵列的LED封装，同SMT相比，不仅大大提高了封装功率密度，而且降低了封装热阻（一般为6-12W/m.K）。

4、系统封装式（SiP）LED封装
　　SiP（System in Package）是近几年来为适应整机的便携式发展和系统小型化的要求，在系统芯片System on Chip（SOC）基础上发展起来的一种新型封装集成方式。对SiP－LED而言，不仅可以在一个封装内组装多个发光芯片，还可以将各种不同类型的器件（如电源、控制电路、光学微结构、传感器等）集成在一起，构建成一个更为复杂的、完整的系统。同其他封装结构相比，SiP具有工艺兼容性好（可利用已有的电子封装材料和工艺），集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分块测试，开发周期短等优点。按照技术类型不同，SiP可分为四种：芯片层叠型，模组型，MCM型和三维(3D)封装型。
　　目前，高亮度LED器件要代替白炽灯以及高压汞灯，必须提高总的光通量，或者说可以利用的光通量。而光通量的增加可以通过提高集成度、加大电流密度、使用大尺寸芯片等措施来实现。而这些都会增加LED的功率密度，如散热不良，将导致LED芯片的结温升高，从而直接影响LED器件的性能（如发光效率降低、出射光发生红移，寿命降低等）。多芯片阵列封装是目前获得高光通量的一个最可行的方案，但是LED阵列封装的密度受限于价格、可用的空间、电气连接，特别是散热等问题。由于发光芯片的高密度集成，散热基板上的温度很高，必须采用有效的热沉结构和合适的封装工艺。常用的热沉结构分为被动和主动散热。被动散热一般选用具有高肋化系数的翅片，通过翅片和空气间的自然对流将热量耗散到环境中。该方案结构简单，可靠性高，但由于自然对流换热系数较低，只适合于功率密度较低，集成度不高的情况。对于大功率LED封装，则必须采用主动散热，如翅片＋风扇、热管、液体强迫对流、微通道致冷、相变致冷等。
　　在系统集成方面，台湾新强光电公司采用系统封装技术(SiP), 并通过翅片＋热管的方式搭配高效能散热模块，研制出了72W、80W的高亮度白光LED光源。由于封装热阻较低（4.38℃/W）,当环境温度为25℃时，LED结温控制在60℃以下，从而确保了LED的使用寿命和良好的发光性能。而华中科技大学则采用COB封装和微喷主动散热技术，封装出了220W和1500W的超大功率LED白光光源。
（四）封装大生产技术
　　晶片键合（Wafer bonding）技术是指芯片结构和电路的制作、封装都在晶片（Wafer）上进行，封装完成后再进行切割，形成单个的芯片（Chip）；与之相对应的芯片键合（Die bonding）是指芯片结构和电路在晶片上完成后，即进行切割形成芯片（Die），然后对单个芯片进行封装（类似现在的LED封装工艺），如图6所示。很明显，晶片键合封装的效率和质量更高。由于封装费用在LED器件制造成本中占了很大比例，因此，改变现有的LED封装形式（从芯片键合到晶片键合），将大大降低封装制造成本。此外，晶片键合封装还可以提高LED器件生产的洁净度，防止键合前的划片、分片工艺对器件结构的破坏，提高封装成品率和可靠性，因而是一种降低封装成本的有效手段。
  此外，对于大功率LED封装，必须在芯片设计和封装设计过程中，尽可能采用工艺较少的封装形式（Package-less Packaging），同时简化封装结构，尽可能减少热学和光学界面数，以降低封装热阻，提高出光效率。
（五）封装可靠性测试与评估
　　LED器件的失效模式主要包括电失效（如短路或断路）、光失效（如高温导致的灌封胶黄化、光学性能劣化等）和机械失效（如引线断裂，脱焊等），而这些因素都与封装结构和工艺有关。LED的使用寿命以平均失效时间（MTTF）来定义，对于照明用途，一般指LED的输出光通量衰减为初始的70％（对显示用途一般定义为初始值的50％）的使用时间。由于LED寿命长，通常采取加速环境试验的方法进行可靠性测试与评估。测试内容主要包括高温储存（100℃，1000h）、低温储存（－55℃，1000h）、高温高湿（85℃/85％，1000h）、高低温循环（85℃～－55℃）、热冲击、耐腐蚀性、抗溶性、机械冲击等。然而，加速环境试验只是问题的一个方面，对LED寿命的预测机理和方法的研究仍是有待研究的难题。
三、大功率LED发展趋势
　　与传统照明灯具相比，LED灯具不需要使用滤光镜或滤光片来产生有色光，不仅效率高、光色纯，而且可以实现动态或渐变的色彩变化。在改变色温的同时保持具有高的显色指数，满足不同的应用需要。但对其封装也提出了新的要求，具体体现在：
（一）模块化
　　通过多个LED灯（或模块）的相互连接可实现良好的流明输出叠加，满足高亮度照明的要求。通过模块化技术，可以将多个点光源或LED模块按照随意形状进行组合，满足不同领域的照明要求。
（二）系统效率最大化
　　为提高LED灯具的出光效率，除了需要合适的LED电源外，还必须采用高效的散热结构和工艺，以及优化内/外光学设计，以提高整个系统效率。
（三）低成本
　　LED灯具要走向市场，必须在成本上具备竞争优势（主要指初期安装成本），而封装在整个LED灯具生产成本中占了很大部分，因此，采用新型封装结构和技术，提高光效/成本比，是实现LED灯具商品化的关键。
（四）易于替换和维护
　　由于LED光源寿命长，维护成本低，因此对LED灯具的封装可靠性提出了较高的要求。要求LED灯具设计易于改进以适应未来效率更高的LED芯片封装要求，并且要求LED芯片的互换性要好，以便于灯具厂商自己选择采用何种芯片。
　　LED灯具光源可由多个分布式点光源组成，由于芯片尺寸小，从而使封装出的灯具重量轻，结构精巧，并可满足各种形状和不同集成度的需求。唯一的不足在于没有现成的设计标准，但同时给设计提供了充分的想象空间。此外，LED照明控制的首要目标是供电。由于一般市电电源是高压交流电（220V，AC），而LED需要恒流或限流电源，因此必须使用转换电路或嵌入式控制电路（ASICs），以实现先进的校准和闭环反馈控制系统。此外，通过数字照明控制技术，对固态光源的使用和控制主要依靠智能控制和管理软件来实现，从而在用户、信息与光源间建立了新的关联，并且可以充分发挥设计者和消费者的想象力。
四、结束语
　　LED封装是一个涉及到多学科（如光学、热学、机械、电学、力学、材料、半导体等）的研究课题。从某种角度而言，LED封装不仅是一门制造技术（Technology），而且也是一门基础科学（Science），良好的封装需要对热学、光学、材料和工艺力学等物理本质的理解和应用。LED封装设计应与芯片设计同时进行，并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。在封装过程中，虽然材料（散热基板、荧光粉、灌封胶）选择很重要，但封装结构（如热学界面、光学界面）对LED光效和可靠性影响也很大，大功率白光LED封装必须采用新材料，新工艺，新思路。对于LED灯具而言，更是需要将光源、散热、供电和灯具等集成考虑。