从实际运用的角度来看，装置应用简单、体积绝对较小的大功率LED器件在大局部的照明利用中必将代替传统的小功率LED器件。由小功率LED组成的照明灯具为了满意照明的须要，必需集中很多个LED的光能才干到达设计请求，但带来的毛病是线路异样庞杂、散热不畅，为了均衡各个LED之间的电流、电压关联，必需设计庞杂的供电电路。比拟之下，大功率单体LED的功率弘远于若干个小功率LED的功率总和，供电线路绝对简略，散热构造完美，物理特征稳固路灯。所以说，大功率LED器件的封装办法跟封装材料并不能简略地套用传统的小功率LED器件的封装方式与封装资料。大的耗散功率、大的发烧量以及高的出光效力，给LED封装工艺、封装装备跟封装资料提出了新的更高的请求。

3、功率型LED的进展

　　功率型LED的研制起始于20世纪60年代中期的GaAs红外光源，由于其可靠性高、体积小、分量轻，可在低电压下工作，因此被首先用于军用夜视仪，以取代原有的白炽灯，20世纪80年代InGaAsP/InP双异质结红外光源被用于一些专用的测试仪器，以取代原有的体积大、寿命短的氙灯。这种红外光源的直流工作电流可达1A，脉冲工作电流可达24A。红外光源虽属早期的功率型LED，但它始终发展至今，产品不断更新换代，应用更加普遍，并成为当今可光功率型LED发展可继续的技术基本。

　　1991年，红、橙、黄色AlGaInP功率型LED的适用化，使LED的应用从室内走向室外LED路灯，胜利地用于各种交通讯号灯，汽车的尾灯、方向灯以及户外信息显示屏。蓝、绿色AlGaInN超高亮度LED的接踵研制胜利，实现了LED的超高亮度全色化，然而用于照明则是超高亮度LED拓展的又一全新领域，用LED固体灯取代白炽灯和荧光灯等传统玻壳照明光源已成为LED发展目的。因此，功率型LED的研发和工业化将成为今后发展的另一重要方向，其技术症结是不断提高发光效率和每一器件（组件）的光通量。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延成长技术和多量子阱结构，固然其内量子效率还需进一步提高，但取得高光通量的最大阻碍还是芯片的取光效率很低。目前因为沿用了传统的指导灯型LED封装结构，工作电流普通被限定为20mA。依照这种惯例理念设计和制作的功率型LED基本无奈达到高效率和高光通量的要求。为了提高可见光功率型LED的发光效率和光通量，必须采用新的设计理念，一方面通过设计新型芯片结构来提高取光效率，另一方面通过增大芯片面积、加大工作电流、采用低热阻的封装结构来提高器件的光电转换效率。因此，设计和制造新型芯片和封装结构，不断提高器件的取光效率和光电转换效率，始终是功率型LED发展中至关重要的课题。

　　功率型LED大大扩大了LED在各种信号显示和照明光源范畴中的运用，重要有汽车内外灯和各种交通讯号灯，包含城市交通、铁路、公路、机场、海港灯塔、保险警示灯等。功率型白光LED作为专用照明光源已开端用于汽车和飞机内的浏览灯，在便携式照明光源（如钥匙灯、手电筒）、背光源及矿工灯等利用方面也得到越来越多的应用。白光除了由三基色合成外，还可通过将一种特制的磷光体涂敷在GaN蓝色或紫外波长的功率型LED芯片上而构成。功率型LED在建造物装潢光源、舞台灯光、商场橱窗照明、广告灯箱照明、庭院草坪照明、城市夜景等方面与其同类产品比拟显示出了它独占的特色。应用功率型RGB三基色LED，可制成结构紧凑、发光效率比传统白炽灯光源高的数字式调色调光光源，配共计算机把持技巧，可得到极其丰盛多彩的发光后果。功率型LED所具备的低电压、低功耗、体积小、分量轻、寿命长、牢靠性高级长处，使其在军事上还可作为野战、潜水、航天、航空所需的特种固体光源。

　　功率型LED结构的提高，取光和热衬的优化设计使其发光效率和光通量一直提高，由多个5mm LED组装的灯盘和灯头将被由功率型LED组装的灯芯所代替。从1970年至2000年的最近30年以来，光通量每18~24个月要增加2倍。自1998年Norlux系列功率型LED问世后，光通量的增长趋势则更快。

　　跟着功率型LED机能的改良，LED照明光源引起了照明范畴的更大的关注。一般照明市场的需要是宏大的，功率型LED白光技巧将更能适应一般照明的应用。只有LED工业能连续这一开发方向，则LED固体照明在将来5~10年将会获得重大的市场冲破。
 

2、功率型封装

　　功率LED最早始于HP公司于20世纪90年代初推出“食人鱼”封装结构的LED太阳能路灯，该公司于1994年推出的改良型的“Snap LED”有两种工作电流，分辨为70mA和150mA，输入功率可达0.3W。功率LED的输入功率比原支架式封装的LED的输入功率进步了多少倍，热阻降为本来的多少分之一。瓦级功率LED是将来照明器件的中心局部，所以世界各至公司都投入了很鼎力量对瓦级功率LED的封装技术进行研讨开发。

　　LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比φ5mm LED大10~20倍的光通量，必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题，因而，管壳及封装是其要害技术，目前能蒙受数瓦功率的LED封装已呈现。5W系列白色、绿色、蓝绿色、蓝色的功率型LED从2003年年初开端推向市场，白光LED的光输出达187lm，光效为44.3lm/W。目前正开发出可蒙受10W功率的LED，采用大面积管芯LED灯具，尺寸为2.5mm×2.5mm，可在5A电流下工作，光输出达200lm。

　　Luxeon系列功率LED是将AlGaInN功率型倒装管芯倒装焊接在拥有焊料凸点的硅载体上，而后把实现倒装焊接的硅载体装入热衬与管壳中，键合引线进行封装。这种封装的取光效率、散热性能以及加大工作电流密度的设计都是最佳的。

　　在应用中，可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上，构成功率密度型LED，PCB板作为器件电极连接的布线使用，铝芯夹层则可作为热衬使用，以获得较高的光通量和光电转换效率LED灯具。此外，封装好的SMD-LED体积很小，可机动地组合起来，形成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。

1、大功率LED芯片

　　要想得到大功率LED器件，就必须制备适合的大功率LED芯片。国际上通常的制造大功率LED芯片的办法有如下几种：

① 加大尺寸法。通过增大单体LED的有效发光面积和尺寸，促使流经TCL层的电流平均散布，以达到预期的光通量。但是，简单地增大发光面积无法解决散热问题和出光问题，并不能达到预期的光通量和实际应用效果。

② 硅底板倒装法。首先制备出合适共晶焊接的大尺寸LED芯片，同时制备出相应尺寸的硅底板，并在硅底板上制造出供共晶焊接用的金导电层及引出导电层（超声金丝球焊点），再利用共晶焊接装备将大尺寸LED芯片与硅底板焊接在一起。这样的结构较为公道，既考虑了出光问题又斟酌到了散热问题，这是目前主流的大功率LED的出产方式。

　　美国Lumileds公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒装芯片（FCLED）结构，其制作流程是：首先在外延片顶部的P型GaN上淀积厚度大于500A的NiAu层，用于欧姆接触和背反射；再采用掩模抉择刻蚀掉P型层和多量子阱有源层，露出N型层；经淀积、刻蚀造成N型欧姆接触层，芯片尺寸为1mm×1mm路灯，P型欧姆接触为正方形，N型欧姆接触以梳状插入其中，这样可缩短电流扩展间隔，把扩大电阻降至最小；然后将金属化凸点的AlGaInN芯片倒装焊接在存在防静电维护二极管（ESD）的硅载体上。

③ 陶瓷底板倒装法。先利用LED晶片通用设备制备出具有合适共晶焊接电极结构的大出光面积的LED芯片和相应的陶瓷底板，并在陶瓷底板上制作出共晶焊接导电层及引出导电层，然后利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与陶瓷底板焊接在一起。这样的结构既考虑了出光问题也考虑到了散热问题，并且采用的陶瓷底板为高导热陶瓷板，散热效果十分理想，价钱又相对较低，所认为目前较为相宜的底板材料，并可为未来的集成电路一体化封装预留空间。

④ 蓝宝石衬底过渡法。依照传统的InGaN芯片制造方式在蓝宝石衬底上成长出PN结后，将蓝宝石衬底切除，再连接上传统的四元材料，制造出高低电极结构的大尺寸蓝光LED芯片。

⑤ AlGaInN碳化硅（SiC）反面出光法。美国Cree公司是寰球独一采用SiC衬底制造AlGaInN超高亮度LED的厂家，几年来其出产的AlGaInN/SiCa芯片结构精益求精，亮度一直进步。因为P型和N型电极分离位于芯片的底部和顶部，采用单引线键合，兼容性较好，使用便利，因此成为AlGaInN LED发展的另一主流产品。

　　超高亮度LED作为信号灯和其余帮助照明光源应用时，个别是将多个Φ5mm封装的各种单色和白光LED组装在一个灯盘或尺度灯座上，使用寿命可到达10万小时。2000年已有研讨指出，Φ5mm白光LED工作6000h后，其光强已降至原来的一半。事实上，采用Φ5mm白光LED阵列的发光安装，其寿命可能只有5000h。不同色彩的LED的光衰减速度不同，其中红色最慢，蓝、绿色居中，白色最快。因为Φ5mm封装的LED本来仅用于唆使灯，其封装热阻高达300℃/W，不能充足地散热，以致LED芯片的温度升高，造成器件光衰减加快。此外，环氧树脂变黄也将使光输出下降。大功率LED在大电流下发生比Φ5mm白光LED大10~20倍的光通量，因而必须通过有效的散热设计和采用不劣化的封装材料来解决光衰问题，管壳及封装已成为研制大功率LED的要害技术之一。全新的LED功率型封装设计理念主要归为两类，一类为单芯片功率型封装，另一类为多芯片功率型封装。

（1）功率型LED的单芯片封装

　　1998年美国Lumileds公司研制出了Luxeon系列大功率LED单芯片封装结构，这种功率型单芯片LED封装构造与惯例的Φ5mm LED封装结构全然不同，它是将正面出光的LED芯片直接焊接在热衬上，或将反面出光的LED芯片先倒装在存在焊料凸点的硅载体上，而后再将其焊接在热衬上，使大面积芯片在大电流下工作的热特征得到改良。这种封装对取光效力、散热机能和电流密度的设计都是最佳的，其重要特色有：

① 热阻低。传统环氧封装具有很高的高热阻，而这种新型封装结构的热阻正常仅为14℃/W，可减小至常规LED的1/20。

② 牢靠性高。内部填充稳定的柔性胶凝体，在40~120℃时，不会因温度骤变产生的内应力使金丝和框架引线断开。用这种硅橡胶作为光耦合的密封材料，不会涌现普通光学环氧树脂那样的变黄景象，金属引线框架也不会因氧化而脏污。

③ 反射杯和透镜的最佳设计使辐射可控，光学效率最高。在应用中可将它们组装在一个带有铝夹层的电路板（铝芯PCB板）上，电路板作为器件电极连接的布线用，铝芯夹层则可作为功率型LED的热衬。这样不仅可失掉较高的光通量，而且还拥有较高的光电转换效率。

　　单芯片瓦级功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的Luxeon LED，该封装结构的特点是采用热电分别的情势，将倒装片用硅载体直接焊接在热衬上，并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料，现可供给单芯片1W、3W和5W的大功率LED产品。OSRAM公司于2003年推出单芯片的Golden Dragon系列LED，其结构特点是热衬与金属线路板直接接触，具备很好的散热性能，而输入功率可达1W。

（2）功率型LED的多芯片组合封装

　　六角形铝衬底的直径为3.175cm(1.25英寸)，发光区位于其中心部位，直径约为0.9525cm（0.375英寸），可包容40个LED芯片。用铝板作为热衬，并使芯片的键合引线通过在衬底上做成的两个接触点与正极和负极连接。依据所需输出光功率的大小来断定衬底上排列管芯的数量太阳能路灯，组合封装的超高亮度芯片包含AlGaInN和AlGaInP，它们的发射光可为单色、彩色（RGB）、白色（由RGB三基色合成或由蓝色和黄色二元合成）。最后采用高折射率的材料按照光学设计形状进行封装，不仅取光效率高，而且还可能使芯片和键合的引线得到掩护。由40个AlGaInP(AS)芯片组合封装的LED的流明效率为20lm/W。采用RGB三基色合成白光的组合封装模块，当混色比为0：43（R）0：48（G）：0.009(B)时，光通量的典范值为100lm，CCT尺度色温为4420K，色坐标x为0.3612，y为0.3529。由此可见，这种采用常规芯片进行高密度组合封装的功率型LED可以达到较高的亮度程度，具有热阻低、可在大电流下工作和光输出功率高级特点。

　　多芯片组合封装的大功率LED，其结构和封装情势较多。美国UOE公司于2001年推出多芯片组合封装的Norlux系列LED，其结构是采用六角形铝板作为衬底LED路灯。Lanina Ceramics公司于2003年推出了采用公司独占的金属基板上低温烧结陶瓷（LTCC-M）技术封装的大功率LED阵列。松下公司于2003年推出由64只芯片组合封装的大功率白光LED。日亚公司于2003年推出超高亮度白光LED，其光通量可达600lm，输出光束为1000lm时，耗电量为30W，最大输入功率为50W，白光LED模块的发光效率达33lm/W。我国台湾UEC（国联）公司采用金属键合（Metal Bonding）技术封装的MB系列大功率LED的特点是，用Si取代GaAs衬底，散热后果好，并以金属粘结层作为光反射层，提高了光输出。

　　功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等，因此，功率型LED芯片的封装设计、制造技术显得尤为重要。大功率LED封装中主要需考虑的问题有：

① 散热。散热对功率型LED器件来说是至关主要的。假如不能将电流产生的热量及时地散出，坚持PN结的结温在容许范畴内，将无奈取得稳固的光输出和保持畸形的器件寿命。

　　在常用的散热材料中银的导热率最高，然而银的成本较高，不合适作通用型散热器。铜的导热率比拟濒临银，且其本钱较银低。铝的导热率固然低于铜，但其综合本钱最低，有利于大范围制作。

　　经由试验对照发明较为适合的做法是：衔接芯片部门采取铜基或银基热衬，再将该热衬衔接在铝基散热器上，采取阶梯型导热结构，应用铜或银的高导热率将芯片发生的热量高效地传递给铝基散热器，再通过铝基散热器将热量散出（通过风冷或热传导方法散出）。这种做法的长处是：充足斟酌散热器的性价比，将不同特点的散热器联合在一起，做到高效散热并使成本节制公道化。

　　应留神的是：连接铜基热衬与芯片的材料的挑选是非常重要的，LED行业常用的芯片连接材料为银胶。但是，经过研究发明，银胶的热阻为10~25W/(m·K)，如果采用银胶作为连接材料，就即是人为地在芯片与热衬之间加上一道热阻。另外，银胶固化后的内部根本结构为环氧树脂骨架+银粉填充式导热导电结构，这种结构的热阻极高且TG点较低，对器件的散热与物理特性的稳定极为不利。解决此问题的做法是：以锡片焊作为晶粒与热衬之间的连接材料[锡的导热系数为67W/（m·K）]，可以失掉较为幻想的导热效果（热阻约为16℃/W）。锡的导热效果与物理特性远优于银胶。

② 出光。传统的LED器件封装方法只能利用芯片发出的约50%的光能，因为半导体与关闭环氧树脂的折射率相差较大，以致内部的全反射临界角很小，有源层产生的光只有小部分被掏出，大部分光在芯片内部经屡次反射而被接收，这是超高亮度LED芯片取光效率很低的基本起因。如何将内部不同材料间折射、反射耗费的50%光能加以利用，是设计出光系数的症结。

　　通过芯片的倒装技术（Flip Chip）能够比传统的LED芯片封装技术得到更多的有效出光。然而，假如说不在芯片的发光层与电极下方增添反射层来反射出挥霍的光能，则会造成约8%的光丧失，所以在底板材料上必须增添反射层。芯片侧面的光也必须应用热衬的镜面加工法加以反射出，增长器件的出光率。而且在倒装芯片的蓝宝石衬底部门与环氧树脂导光联合面上应加上一层硅胶材料，以改良芯片出光的折射率。

　　经由上述光学封装技术的改善，可以大幅度提高大功率LED器件的出光率（光通量）。大功率LED器件顶部透镜的光学设计也是非常主要的，通常的做法是：在进行光学透镜设计时应充分考虑终极照明用具的光学设计要求，尽量配合应用照明用具的光学要求进行设计。

　　常用的透镜外形有：凸透镜、凹锥透镜、球镜、菲涅尔透镜以及组合式透镜等。透镜与大功率LED器件的幻想装配方法是采用气密性封装，如果受透镜外形所限，也可采用半气密性封装。透镜材料应取舍高透光率的玻璃或亚克力等合成材料，也能够采用传统的环氧树脂模组式封装，加上二次散热设计也基础可以达到提高出光率的效果。