广州市鸿利光电子有限公司 

裴小明

 

从1962年第一只LED问世至今的四十多年的时间里，LED的封装形态发生了多次的演变。从60年代的玻壳封装，到70年代的环氧树脂封装，到90年代中后期的四脚食人鱼封装、贴片式SMD封装、大功率封装、芯片阵列式COB封装等等，每一次都是因应用领域的拓展和封装技术的进步而变。近年来出现的大功率LED，更是由于其在半导体照明应用中的重要地位，在短短的几年里封装形态已发生了多次的变化，实在让人有点眼花缭乱。在半导体照明产业已经起步并开始进入快速发展的今天，大功率LED将会有什么新的封装形态？下面将分析各种大功率LED的主要封装形态的特点，以及照明应用对LED光源的需求，从中探究其今后的发展趋势。

 

(一)    国外产品

1.     Lumileds公司

2．Cree公司

3．Osram公司

4．Nichia公司

5．Seoul Semiconductor公司

（二）国内产品

（一）国外产品

1．Lumileds公司

⑴最早的大功率LED封装形式是Luxeon Emitter系列，其结构特点是金属塑料支架加上独立的热沉为基座，外加PC材料的光学透镜，中空以柔性光学硅胶灌封，管体直径为8.0mm。PC 材料的透镜耐温度较低（＜150℃），Emitter在应用安装时不能使用回流焊，焊接工艺要求高，安装效率较低；由于透镜是外加的，使用时容易脱落；透镜与中空灌封的硅胶之间的结合界面容易形成隔层，从而影响光效。

⑵Luxeon K2的结构特点是金属塑料支架加上独立的热沉为基座，光学透镜用软硅胶整体模造而成，管体尺寸为7.3mm×7.3mm。由于封装方案在Emitter的基础上作了多方面的改进，结温耐受能力提高到185℃；应用安装可使用回流炉焊接；但软硅胶透镜对芯片及引线保护不足，容易因外力的作用而受损；软硅胶透镜易粘灰尘，不适宜外露使用；应用配光可选择方案较少。

⑶Rebel的结构特点是在有独立热沉的陶瓷基板上，直接模造软硅胶光学透镜，管体基板尺寸为3.2mm×4.5mm。结温耐受能力为150℃；可使用SMT安装和回流炉焊接；但由于使用软硅胶模造光学透镜，在应用上同样存在K2的弱点。

2．Cree公司

   Cree公司的大功率LED主打产品形式是有独立热沉的陶瓷基板＋光学玻璃透镜＋柔性硅胶中空灌封，管体尺寸为7.0mm×9.0mm。由于光学玻璃透镜粘合在管体的金属圈上，而金属圈内灌封的柔性硅胶在管子使用时受热膨胀，存在将光学玻璃透镜顶脱的可能。2008年还分别推出尺寸为7.0mm×9.0mm、在带独立热沉的金属塑料支架上模造软硅胶透镜的高功率多芯片LED——MC-E系列，以及尺寸为3.5mm×3.5mm、在带独立热沉的陶瓷基板上直接模造光学透镜的XP-E系列。

3．Osram公司

   一直以TOP SMD形式封装大功率LED，主打产品为7.0mm×6.0mm的金属塑料支架灌封硅胶的Golden Dragon。

4．Nichia公司

   早期曾推出7.2mm×7.2mm的金属塑料支架+PC光学透镜+中空柔性光学硅胶灌封的产品形式，近期主推小尺寸的（主要是3.5mm×3.5mm、5.0mm×6.0mm）金属/陶瓷支架+硅胶灌封/模造光学透镜的大功率LED封装产品形式。

5．Seoul Semiconductor公司

主打产品与Luxeon系列类似，近期也推出小型化的平面贴装类大功率LED。

（二）国内产品

国内的大功率LED封装起步相对较晚，主要走两条路线：一是分立器件跟随模仿国外大公司的产品封装形式；二是根据照明应用的实际需求做个性化的集成封装。

（三）小结

目前大功率LED的主要封装形态有以下几种：

●    带独立热沉的金属塑料支架+PC/硅胶光学透镜+柔性光学硅胶灌封；

●    带独立热沉的金属塑料支架+软硅胶一体化模造光学透镜；

●    带独立热沉的陶瓷支架+光学玻璃透镜+柔性光学硅胶灌封；

●    带独立热沉的陶瓷基板+软硅胶一体化模造光学透镜；

●    COB封装；

●    其它个性化式封装。

 

虽然第一只LED早在1962年就问世，但在二十世纪下半页，LED多作信号指示和信息显示之用。随着上世纪九十年代后期蓝白光LED的发明，尤其是近年来大功率LED的出现，LED作为照明光源才进入实际可操作阶段。自半导体照明的概念被提出，人们对它的期望是很高的。高效节能、环保健康、长寿耐用等等，是半导体照明业者必须兑现给公众的承诺。半导体照明除了需要逐步完善照明系统应用技术解决方案，突破驱动电路、热量管理、光学设计和结构设计等专用技术外，还对大功率LED封装形态提出了新的要求。

    大功率LED通常是在很小的体积内发出强光，眩光效应明显，不适合眼睛对照明的习惯要求，很难像传统光源那样可以用光源来直接照明，通常需要借助灯具来实现照明，因而在封装形态上须满足以下要求：

1．  方便应用结构安装；

2．  方便应用电路连接；

3．  方便应用系统配光；

4．  方便应用散热装配；

5．  具有高可靠性：

⑴温度耐受能力

⑵湿度耐受能力

⑶抗电冲击能力

⑷抗机械冲击能力

⑸抗辐射能力

⑹防化学腐蚀能力

6．  低成本；

7．  可供货能力强。

 

（一）大功率LED封装形态发展的考量点

    半导体照明领域宽广，产品种类繁多，要想只有一种单一的主流封装形态是不现实的。尽可能统一大功率LED的封装形态，是封装业者的理想。根据不同照明产品类别的应用需求，主流化与个性化共存是大功率LED封装形态发展的必然。。不管今后大功率LED的封装形态如何，其发展必须基于以下的考量：

1．具有自主知识产权；

2．主流产品标准化；

3．有助于性能指标的提高；

4．有助于光源可靠性的提高；

5．方便照明应用（电路连接、系统配光、散热装配、结构安装）；

6．适合大批量生产；

7．有利于降低成本。

（二）半导体照明的LED封装形态发展趋势

    目前应用于半导体照明的大功率LED形态各异，各有优劣，业内人士对其形态发展趋势看法也不尽一致。根据以上分析，本人对大功率LED封装形态的发展趋势作出以下预测：

1．从发光效率、应用难度和成本考虑，照明用的大功率LED主流光源依然是直接白光LED，而非RGB调控混色产生白光的LED；

2．从热量管理、发光效率、制造难度和可靠性等方面考虑，10W以下的分立大功率LED仍然是照明光源的主流形式，多芯片阵列组合的超大功率的LED（10W以上）将主要用于个性化的特种照明灯具；

3．因应不同照明产品类别的应用需求，将发展出若干种新的大功率LED主流封装形态；

4．新的大功率LED主流封装形态的特征：

 ⑴应用安装形式平面贴片化；

 ⑵器件尺寸小型化；

⑶光学透镜硅胶模造一体化；

⑷出光形式泛光化；

⑸热电管理分离化；

⑹热量管理应用化；（注：器件热沉将越来越小，封装厂家只负责做好芯片的热量导出，而散热的任务主要由照明应用厂家完成。）

⑺单灯光通量最大化；

⑻器件热阻最小化；

⑼器件结温最高化；

⑽应用对接即插化；

⑾供电模式交流化；

⑿生产技术成熟化；

⒀生产工艺简单化；

⒁生产模式标准化；

⒂生产能力规模化；

⒃生产成本最低化。

半导体照明是一个快速发展、充满生机、值得期望的新兴产业，大功率LED光源的研发充满挑战，有待我们不断探秘。以上观点仅代表个人意见，供相关人事参考，意在抛砖引玉，共同探索大功率LED封装的发展之路。

 

2008年10月