從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，安裝使用簡(jiǎn)單、體積相對(duì)較小的大功率LED器件在大部分的照明應(yīng)用中必將取代傳統(tǒng)的小功率LED器件。由小功率LED組成的照明燈具為了滿足照明的需要，必須集中許多個(gè)LED的光能才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但帶來(lái)的缺點(diǎn)是線路異常復(fù)雜、散熱不暢，為了平衡各個(gè)LED之間的電流、電壓關(guān)系，必須設(shè)計(jì)復(fù)雜的供電電路。相比之下，大功率單體LED的功率遠(yuǎn)大于若干個(gè)小功率LED的功率總和，供電線路相對(duì)簡(jiǎn)單，散熱結(jié)構(gòu)完善，物理特性穩(wěn)定。所以說(shuō)，大功率LED器件的封裝方法和封裝材料并不能簡(jiǎn)單地套用傳統(tǒng)的小功率LED器件的封裝方法與封裝材料。大的耗散功率、大的發(fā)熱量以及高的出光效率，給LED封裝工藝、封裝設(shè)備和封裝材料提出了新的更高的要求。

　　1、大功率LED芯片

　　要想得到大功率LED器件，就必須制備合適的大功率LED芯片。國(guó)際上通常的制造大功率LED芯片的方法有如下幾種：

　?、?加大尺寸法。通過(guò)增大單體LED的有效發(fā)光面積和尺寸，促使流經(jīng)TCL層的電流均勻分布，以達(dá)到預(yù)期的光通量。但是，簡(jiǎn)單地增大發(fā)光面積無(wú)法解決散熱問(wèn)題和出光問(wèn)題，并不能達(dá)到預(yù)期的光通量和實(shí)際應(yīng)用效果。

　?、?硅底板倒裝法。首先制備出適合共晶焊接的大尺寸LED芯片，同時(shí)制備出相應(yīng)尺寸的硅底板，并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金導(dǎo)電層及引出導(dǎo)電層(超聲金絲球焊點(diǎn))，再利用共晶焊接設(shè)備將大尺寸LED芯片與硅底板焊接在一起。這樣的結(jié)構(gòu)較為合理，既考慮了出光問(wèn)題又考慮到了散熱問(wèn)題，這是目前主流的大功率LED的生產(chǎn)方式。

　　美國(guó)Lumileds公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒裝芯片(FCLED)結(jié)構(gòu)，其制造流程是：首先在外延片頂部的P型GaN上淀積厚度大于500A的NiAu層，用于歐姆接觸和背反射;再采用掩模選擇刻蝕掉P型層和多量子阱有源層，露出N型層;經(jīng)淀積、刻蝕形成N型歐姆接觸層，芯片尺寸為1mm1mm，P型歐姆接觸為正方形，N型歐姆接觸以梳狀插入其中，這樣可縮短電流擴(kuò)展距離，把擴(kuò)展電阻降至最小;然后將金屬化凸點(diǎn)的AlGaInN芯片倒裝焊接在具有防靜電保護(hù)二極管(ESD)的硅載體上。

　?、?陶瓷底板倒裝法。先利用LED晶片通用設(shè)備制備出具有適合共晶焊接電極結(jié)構(gòu)的大出光面積的LED芯片和相應(yīng)的陶瓷底板，并在陶瓷底板上制作出共晶焊接導(dǎo)電層及引出導(dǎo)電層，然后利用共晶焊接設(shè)備將大尺寸LED芯片與陶瓷底板焊接在一起。這樣的結(jié)構(gòu)既考慮了出光問(wèn)題也考慮到了散熱問(wèn)題，并且采用的陶瓷底板為高導(dǎo)熱陶瓷板，散熱效果非常理想，價(jià)格又相對(duì)較低，所以為目前較為適宜的底板材料，并可為將來(lái)的集成電路一體化封裝預(yù)留空間。

　　④ 藍(lán)寶石襯底過(guò)渡法。按照傳統(tǒng)的InGaN芯片制造方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)出PN結(jié)后，將藍(lán)寶石襯底切除，再連接上傳統(tǒng)的四元材料，制造出上下電極結(jié)構(gòu)的大尺寸藍(lán)光LED芯片。

　?、?AlGaInN碳化硅(SiC)背面出光法。美國(guó)Cree公司是全球唯一采用SiC襯底制造AlGaInN超高亮度LED的廠家，幾年來(lái)其生產(chǎn)的AlGaInN/SiCa芯片結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，亮度不斷提高。由于P型和N型電極分別位于芯片的底部和頂部，采用單引線鍵合，兼容性較好，使用方便，因而成為AlGaInN LED發(fā)展的另一主流產(chǎn)品。

　　2、功率型封裝

　　功率LED最早始于HP公司于20世紀(jì)90年代初推出食人魚封裝結(jié)構(gòu)的LED，該公司于1994年推出的改進(jìn)型的Snap LED有兩種工作電流，分別為70mA和150mA，輸入功率可達(dá)0.3W。功率LED的輸入功率比原支架式封裝的LED的輸入功率提高了幾倍，熱阻降為原來(lái)的幾分之一。瓦級(jí)功率LED是未來(lái)照明器件的核心部分，所以世界各大公司都投入了很大力量對(duì)瓦級(jí)功率LED的封裝技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。

　　LED芯片及封裝向大功率方向發(fā)展，在大電流下產(chǎn)生比φ5mm LED大10~20倍的光通量，必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問(wèn)題，因此，管殼及封裝是其關(guān)鍵技術(shù)，目前能承受數(shù)瓦功率的LED封裝已出現(xiàn)。5W系列白色、綠色、藍(lán)綠色、藍(lán)色的功率型LED從2003年年初開(kāi)始推向市場(chǎng)，白光LED的光輸出達(dá)187lm，光效為44.3lm/W。目前正開(kāi)發(fā)出可承受10W功率的LED，采用大面積管芯，尺寸為2.5mm2.5mm，可在5A電流下工作，光輸出達(dá)200lm。

　　Luxeon系列功率LED是將AlGaInN功率型倒裝管芯倒裝焊接在具有焊料凸點(diǎn)的硅載體上，然后把完成倒裝焊接的硅載體裝入熱襯與管殼中，鍵合引線進(jìn)行封裝。這種封裝的取光效率、散熱性能以及加大工作電流密度的設(shè)計(jì)都是最佳的。

　　在應(yīng)用中，可將已封裝產(chǎn)品組裝在一個(gè)帶有鋁夾層的金屬芯PCB板上，形成功率密度型LED，PCB板作為器件電極連接的布線使用，鋁芯夾層則可作為熱襯使用，以獲得較高的光通量和光電轉(zhuǎn)換效率。此外，封裝好的SMD-LED體積很小，可靈活地組合起來(lái)，構(gòu)成模塊型、導(dǎo)光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。

　　超高亮度LED作為信號(hào)燈和其他輔助照明光源應(yīng)用時(shí)，一般是將多個(gè)Φ5mm封裝的各種單色和白光LED組裝在一個(gè)燈盤或標(biāo)準(zhǔn)燈座上，使用壽命可達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)。2000年已有研究指出，Φ5mm白光LED工作6000h后，其光強(qiáng)已降至原來(lái)的一半。事實(shí)上，采用Φ5mm白光LED陣列的發(fā)光裝置，其壽命可能只有5000h。不同顏色的LED的光衰減速度不同，其中紅色最慢，藍(lán)、綠色居中，白色最快。由于Φ5mm封裝的LED原來(lái)僅用于指示燈，其封裝熱阻高達(dá)300℃/W，不能充分地散熱，致使LED芯片的溫度升高，造成器件光衰減加快。此外，環(huán)氧樹(shù)脂變黃也將使光輸出降低。大功率LED在大電流下產(chǎn)生比Φ5mm白光LED大10~20倍的光通量，因此必須通過(guò)有效的散熱設(shè)計(jì)和采用不劣化的封裝材料來(lái)解決光衰問(wèn)題，管殼及封裝已成為研制大功率LED的關(guān)鍵技術(shù)之一。全新的LED功率型封裝設(shè)計(jì)理念主要?dú)w為兩類，一類為單芯片功率型封裝，另一類為多芯片功率型封裝。

　　(1)功率型LED的單芯片封裝

　　1998年美國(guó)Lumileds公司研制出了Luxeon系列大功率LED單芯片封裝結(jié)構(gòu)，這種功率型單芯片LED封裝結(jié)構(gòu)與常規(guī)的Φ5mm LED封裝結(jié)構(gòu)全然不同，它是將正面出光的LED芯片直接焊接在熱襯上，或?qū)⒈趁娉龉獾腖ED芯片先倒裝在具有焊料凸點(diǎn)的硅載體上，然后再將其焊接在熱襯上，使大面積芯片在大電流下工作的熱特性得到改善。這種封裝對(duì)于取光效率、散熱性能和電流密度的設(shè)計(jì)都是最佳的，其主要特點(diǎn)有：

　?、?熱阻低。傳統(tǒng)環(huán)氧封裝具有很高的高熱阻，而這種新型封裝結(jié)構(gòu)的熱阻一般僅為14℃/W，可減小至常規(guī)LED的1/20。

　?、?可靠性高。內(nèi)部填充穩(wěn)定的柔性膠凝體，在40~120℃時(shí)，不會(huì)因溫度驟變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使金絲和框架引線斷開(kāi)。用這種硅橡膠作為光耦合的密封材料，不會(huì)出現(xiàn)普通光學(xué)環(huán)氧樹(shù)脂那樣的變黃現(xiàn)象，金屬引線框架也不會(huì)因氧化而臟污。

　?、?反射杯和透鏡的最佳設(shè)計(jì)使輻射可控，光學(xué)效率最高。在應(yīng)用中可將它們組裝在一個(gè)帶有鋁夾層的電路板(鋁芯PCB板)上，電路板作為器件電極連接的布線用，鋁芯夾層則可作為功率型LED的熱襯。這樣不僅可獲得較高的光通量，而且還具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。

　　單芯片瓦級(jí)功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的Luxeon LED，該封裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用熱電分離的形式，將倒裝片用硅載體直接焊接在熱襯上，并采用反射杯、光學(xué)透鏡和柔性透明膠等新結(jié)構(gòu)和新材料，現(xiàn)可提供單芯片1W、3W和5W的大功率LED產(chǎn)品。OSRAM公司于2003年推出單芯片的Golden Dragon系列LED，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是熱襯與金屬線路板直接接觸，具有很好的散熱性能，而輸入功率可達(dá)1W。

　　(2)功率型LED的多芯片組合封裝

　　六角形鋁襯底的直徑為3.175cm(1.25英寸)，發(fā)光區(qū)位于其中央部位，直徑約為0.9525cm(0.375英寸)，可容納40個(gè)LED芯片。用鋁板作為熱襯，并使芯片的鍵合引線通過(guò)在襯底上做成的兩個(gè)接觸點(diǎn)與正極和負(fù)極連接。根據(jù)所需輸出光功率的大小來(lái)確定襯底上排列管芯的數(shù)目，組合封裝的超高亮度芯片包括AlGaInN和AlGaInP，它們的發(fā)射光可為單色、彩色(RGB)、白色(由RGB三基色合成或由藍(lán)色和黃色二元合成)。最后采用高折射率的材料按照光學(xué)設(shè)計(jì)形狀進(jìn)行封裝，不僅取光效率高，而且還能夠使芯片和鍵合的引線得到保護(hù)。由40個(gè)AlGaInP(AS)芯片組合封裝的LED的流明效率為20lm/W。采用RGB三基色合成白光的組合封裝模塊，當(dāng)混色比為0：43(R)0：48(G)：0.009(B)時(shí)，光通量的典型值為100lm，CCT標(biāo)準(zhǔn)色溫為4420K，色坐標(biāo)x為0.3612，y為0.3529。由此可見(jiàn)，這種采用常規(guī)芯片進(jìn)行高密度組合封裝的功率型LED可以達(dá)到較高的亮度水平，具有熱阻低、可在大電流下工作和光輸出功率高等特點(diǎn)。