封裝是LED器件不可或缺的重要組成部分，其作用主要包括：保護芯片;提高LED的出光效率并實現特定的光學分布;提高器件的導熱能力等。根據不同的應用需要，發光二極管的芯片可以通過多種封裝方式做成不同結構和外觀的元器件。

　　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，這種技術采用引線架作為各種封裝外型的引腳，將LED芯片粘結在引線架上。芯片的正極用金絲鍵合連到另一引線架上，負極用銀漿粘結在支架反射杯內或用金絲和反射杯引腳相連，最后頂部用環氧樹脂包封，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)系列已經成為工業標準被廣泛采用。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。其特點是結構緊湊，并可以進行波峰焊或者回流焊，適合大規模生產的要求, 如圖1(b)。

　　隨著LED封裝技術的不斷創新以及國內外節能減排政策的執行，LED光源應用在照明領域的比例日益增大，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品，相比傳統分立式LED封裝產品，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封裝技術的特點

　　硅基板封裝是近年來LED封裝領域另一引人注目的技術。硅基板相對于傳統基板材料，具有更高的導熱率(130W/m·K)，可以為LED產品提供良好的散熱性能。硅的熱膨脹系數與LED芯片材料相一致，可以保證LED產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，便于滿足產品小型化和個性化的需求。以硅基板代替傳統陶瓷基板，實現單顆LED芯片的封裝如圖2(a)所示。

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

　　應用于照明領域的LED模組，除包含LED芯片和驅動電路外，還包含熒光粉材料以及光學透鏡等結構。基于三維硅基板封裝集成技術，可將上述組件集成到一個封裝體內，大大簡化了LED照明模塊的封裝流程，實現封裝小型化。如圖2(c)所示，LED芯片與驅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，上下兩層經過適當鍵合完成粘結，實現多層硅基板的封裝。

　　三、 三維硅基板集成方案實例

　　圖3所示為某硅基板LED集成項目實現的封裝樣品結構，該封裝集成LED、驅動電路及熒光粉于硅基板上。下層硅基板上集成雙色LED芯片和驅動電路，上層填充熒光粉，可實現與散熱基底直接相連，并實現色溫可調可變，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封裝與驅動電路(包括驅動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。為了應對光源產品小型化的發展要求，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。隨著封裝尺寸進一步減小，集成于LED封裝體內的IC芯片，如驅動芯片、控制芯片等，將面臨散熱的考驗。LED芯片是封裝體內的主要熱源，其工作溫度通常在100～120℃，甚至更高，而IC芯片的設計工作溫度通常在85℃左右。集成封裝相對于傳統電路板式組裝，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品的尺寸及成本。改善集成封裝到熱沉之間的導熱性能，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模組的組裝方式有很大的不同，封裝設計應考慮以下因素：

　　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，在設計封裝時，盡量減小封裝的面積。

　　驅動電路也是整體成本的一個重要部分，為了降低整體成本，最好使用全集成驅動。目前市場上的全集成驅動在性能方面仍需進一步改進，全集成的驅動一般靈活性較差，在應用和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，不需要高端的半導體加工設備。另一方面，實現同一種加工，有多種加工方法可供選擇。選擇適當的、適合大批量生產的加工設備，可以很大程度上降低加工成本。

　　六、 硅基板集成技術展望

　　硅基板集成技術方興未艾，發展前景廣闊，諸多新技術有待進一步開發。由于硅基板在傳統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驅動電路，如圖4所示，取代分立式的驅動元件，降低成本，簡化制作工藝。

　　更進一步，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、導熱性高等優點，是理想的LED襯底材料。以硅基板為襯底，在其上生長LED，并集成驅動電路，可以“一步式”實現器件生長+封裝+組裝，可以進一步改善產品性能和降低成本。

　　硅基板憑借其優良的性能，在LED集成封裝領域有著廣闊的應用前景。同時應看到，硅基集成技術尚有諸多技術難點需要突破。散熱問題對于LED產品的性能和可靠性至關重要，是封裝設計中首要考慮的因素。新型硅基集成工藝的開發也有很多工作要做，如何開發出低成本高效率的工藝是很多研究者努力的方向。21世紀是新材料的世紀，新材料的開發與應用將為硅基集成技術提供有力的支撐，也必將是國內外科研機構和公司關心和正在研究的方向。

作者：董明智 韋嘉 袁長安 半導體照明聯合創新國家重點實驗室 （本文選自《半導體照明》雜志2013年第4期 ）