封装是LED器件不可或缺的重要组成部分，其作用主要包括：保护芯片;提高LED的出光效率并实现特定的光学分布;提高器件的导热能力等。根据不同的应用需要，发光二极管的芯片可以通过多种封装方式做成不同结构和外观的元器件。
一、 常见的几种LED封装形式
最常见的封装形式为引脚式封装，这种技术采用引线架作为各种封装外型的引脚，将LED芯片粘结在引线架上。芯片的正极用金丝键合连到另一引线架上，负极用银浆粘结在支架反射杯内或用金丝和反射杯引脚相连，最后顶部用环氧树脂包封，如图1(a)。
LED另一种重要的封装形式为表面贴装式，表面贴装中的PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)系列已经成为工业标准被广泛采用。PLCC采用方形的塑料材料作为LED的外壳，将LED芯片放在顶部凹槽处，底部封以金属片状引脚。其特点是结构紧凑，并可以进行波峰焊或者回流焊，适合大规模生产的要求, 如图1(b)。
随着LED封装技术的不断创新以及国内外节能减排政策的执行，LED光源应用在照明领域的比例日益增大，新的封装形式不断推出。COB(Chip on Board)正是在这种背景下推出的封装产品，相比传统分立式LED封装产品，具备更好的一次散热能力，高密度的光通量输出, 如图1(c)。
二、 硅基板LED封装技术的特点
硅基板封装是近年来LED封装领域另一引人注目的技术。硅基板相对于传统基板材料，具有更高的导热率(130W/m·K)，可以为LED产品提供良好的散热性能。硅的热膨胀系数与LED芯片材料相一致，可以保证LED产品使用中可靠度和寿命的提升。另外，硅基封装工艺与集成电路制作工艺兼容，便于满足产品小型化和个性化的需求。以硅基板代替传统陶瓷基板，实现单颗LED芯片的封装如图2(a)所示。
在硅基板上容易制作互联电路，加之硅基板良好的导热性能，因此以硅为基板，可以实现LED芯片与驱动电路的集成，即将LED芯片与驱动电路元件，包括驱动芯片和分立元件等，封装于单一封装体内，如图2(b)所示。集成驱动封装大大缩短了LED芯片与驱动电路间的互联路径，提高产品性能，而且减小了封装体尺寸，更加适应产品小型化的需求。同时，集成封装简化了传统封装/组装的工艺流程，提高生产效率，节约成本。
应用于照明领域的LED模组，除包含LED芯片和驱动电路外，还包含荧光粉材料以及光学透镜等结构。基于三维硅基板封装集成技术，可将上述组件集成到一个封装体内，大大简化了LED照明模块的封装流程，实现封装小型化。如图2(c)所示，LED芯片与驱动电路封装在下层硅基板上，荧光粉材料制作于上层硅基板，上下两层经过适当键合完成粘结，实现多层硅基板的封装。
三、 三维硅基板集成方案实例
图3所示为某硅基板LED集成项目实现的封装样品结构，该封装集成LED、驱动电路及荧光粉于硅基板上。下层硅基板上集成双色LED芯片和驱动电路，上层填充荧光粉，可实现与散热基底直接相连，并实现色温可调可变，整个封装体尺寸不足20×20mm。
四、集成封装散热分析
常见的LED模组通常采用的封装形式为：分立式的LED封装与驱动电路(包括驱动IC芯片和分立元件等)组装到电路板上。常用的电路板包括金属基板和FR4。为了应对光源产品小型化的发展要求，更多的元件将与LED芯片集成于单一封装体或封装模组中，这些元件包括驱动电路元件、控制电路元件，甚至某些传感器或通讯器件。随着封装尺寸进一步减小，集成于LED封装体内的IC芯片，如驱动芯片、控制芯片等，将面临散热的考验。LED芯片是封装体内的主要热源，其工作温度通常在100～120℃，甚至更高，而IC芯片的设计工作温度通常在85℃左右。集成封装相对于传统电路板式组装，LED芯片的功率对IC芯片的温度有着更明显的影响。原因在于硅基板的高热导率，使得LED芯片与IC芯片之间更容易传热量，这种影响在大功率LED器件中尤为明显。
控制IC芯片温度的途径之一是提高整个封装体的散热效率，如使用散热更好的热沉，包括改善封装体到热沉之间的导热性能，或者增大封装体的尺寸以提高散热效率。但这两种方案将增加产品的尺寸及成本。改善集成封装到热沉之间的导热性能，可能需要引入新型材料。
五、 集成封装成本分析
集成封装的成本分析与传统模组的组装方式有很大的不同，封装设计应考虑以下因素：
由于采用圆片级的封装形式，封装制作时使用的加工成本被所有封装平均承担，在设计封装时，尽量减小封装的面积。
驱动电路也是整体成本的一个重要部分，为了降低整体成本，最好使用全集成驱动。目前市场上的全集成驱动在性能方面仍需进一步改进，全集成的驱动一般灵活性较差，在应用和LED选择上会有所限制。
制作封装基板所用的集成电路加工工艺，其成本相对较高，但LED封装所需的加工精度不高，不需要高端的半导体加工设备。另一方面，实现同一种加工，有多种加工方法可供选择。选择适当的、适合大批量生产的加工设备，可以很大程度上降低加工成本。
六、 硅基板集成技术展望
硅基板集成技术方兴未艾，发展前景广阔，诸多新技术有待进一步开发。由于硅基板在传统IC制造中大量使用，借助于IC制造工艺可以在硅基板上直接制作LED驱动电路，如图4所示，取代分立式的驱动元件，降低成本，简化制作工艺。
更进一步，可以在硅沉底上直接外延生长GaN材料制备LED。硅作为生长LED的衬底，具有晶格匹配好、导热性高等优点，是理想的LED衬底材料。以硅基板为衬底，在其上生长LED，并集成驱动电路，可以“一步式”实现器件生长+封装+组装，可以进一步改善产品性能和降低成本。
硅基板凭借其优良的性能，在LED集成封装领域有着广阔的应用前景。同时应看到，硅基集成技术尚有诸多技术难点需要突破。散热问题对于LED产品的性能和可靠性至关重要，是封装设计中首要考虑的因素。新型硅基集成工艺的开发也有很多工作要做，如何开发出低成本高效率的工艺是很多研究者努力的方向。21世纪是新材料的世纪，新材料的开发与应用将为硅基集成技术提供有力的支撑，也必将是国内外科研机构和公司关心和正在研究的方向。
作者：董明智 韦嘉 袁长安 半导体照明联合创新国家重点实验室 （本文选自《半导体照明》杂志2013年第4期 ）
