從實際運用的角度來看，裝置應用簡單、體積絕對較小的大功率LED器件在大局部的照明利用中必將代替傳統的小功率LED器件。由小功率LED組成的照明燈具為了滿意照明的須要，必需集中很多個LED的光能才干到達設計請求，但帶來的毛病是線路異樣龐雜、散熱不暢，為了均衡各個LED之間的電流、電壓關聯，必需設計龐雜的供電電路。比擬之下，大功率單體LED的功率弘遠于若干個小功率LED的功率總和，供電線路絕對簡略，散熱構造完美，物理特征穩固路燈。所以說，大功率LED器件的封裝辦法跟封裝材料并不能簡略地套用傳統的小功率LED器件的封裝方式與封裝資料。大的耗散功率、大的發燒量以及高的出光效力，給LED封裝工藝、封裝裝備跟封裝資料提出了新的更高的請求。

3、功率型LED的進展

　　功率型LED的研制起始于20世紀60年代中期的GaAs紅外光源，由于其可靠性高、體積小、分量輕，可在低電壓下工作，因此被首先用于軍用夜視儀，以取代原有的白熾燈，20世紀80年代InGaAsP/InP雙異質結紅外光源被用于一些專用的測試儀器，以取代原有的體積大、壽命短的氙燈。這種紅外光源的直流工作電流可達1A，脈沖工作電流可達24A。紅外光源雖屬早期的功率型LED，但它始終發展至今，產品不斷更新換代，應用更加普遍，并成為當今可光功率型LED發展可繼續的技術基本。

　　1991年，紅、橙、黃色AlGaInP功率型LED的適用化，使LED的應用從室內走向室外LED路燈，勝利地用于各種交通訊號燈，汽車的尾燈、方向燈以及戶外信息顯示屏。藍、綠色AlGaInN超高亮度LED的接踵研制勝利，實現了LED的超高亮度全色化，然而用于照明則是超高亮度LED拓展的又一全新領域，用LED固體燈取代白熾燈和熒光燈等傳統玻殼照明光源已成為LED發展目的。因此，功率型LED的研發和工業化將成為今后發展的另一重要方向，其技術癥結是不斷提高發光效率和每一器件（組件）的光通量。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延成長技術和多量子阱結構，固然其內量子效率還需進一步提高，但取得高光通量的最大阻礙還是芯片的取光效率很低。目前因為沿用了傳統的指導燈型LED封裝結構，工作電流普通被限定為20mA。依照這種慣例理念設計和制作的功率型LED基本無奈達到高效率和高光通量的要求。為了提高可見光功率型LED的發光效率和光通量，必須采用新的設計理念，一方面通過設計新型芯片結構來提高取光效率，另一方面通過增大芯片面積、加大工作電流、采用低熱阻的封裝結構來提高器件的光電轉換效率。因此，設計和制造新型芯片和封裝結構，不斷提高器件的取光效率和光電轉換效率，始終是功率型LED發展中至關重要的課題。

　　功率型LED大大擴大了LED在各種信號顯示和照明光源范疇中的運用，重要有汽車內外燈和各種交通訊號燈，包含城市交通、鐵路、公路、機場、海港燈塔、保險警示燈等。功率型白光LED作為專用照明光源已開端用于汽車和飛機內的瀏覽燈，在便攜式照明光源（如鑰匙燈、手電筒）、背光源及礦工燈等利用方面也得到越來越多的應用。白光除了由三基色合成外，還可通過將一種特制的磷光體涂敷在GaN藍色或紫外波長的功率型LED芯片上而構成。功率型LED在建造物裝潢光源、舞臺燈光、商場櫥窗照明、廣告燈箱照明、庭院草坪照明、城市夜景等方面與其同類產品比擬顯示出了它獨占的特色。應用功率型RGB三基色LED，可制成結構緊湊、發光效率比傳統白熾燈光源高的數字式調色調光光源，配共計算機把持技巧，可得到極其豐盛多彩的發光后果。功率型LED所具備的低電壓、低功耗、體積小、分量輕、壽命長、牢靠性高級長處，使其在軍事上還可作為野戰、潛水、航天、航空所需的特種固體光源。

　　功率型LED結構的提高，取光和熱襯的優化設計使其發光效率和光通量一直提高，由多個5mm LED組裝的燈盤和燈頭將被由功率型LED組裝的燈芯所代替。從1970年至2000年的最近30年以來，光通量每18~24個月要增加2倍。自1998年Norlux系列功率型LED問世后，光通量的增長趨勢則更快。

　　跟著功率型LED機能的改良，LED照明光源引起了照明范疇的更大的關注。一般照明市場的需要是宏大的，功率型LED白光技巧將更能適應一般照明的應用。只有LED工業能連續這一開發方向，則LED固體照明在將來5~10年將會獲得重大的市場沖破。
 

2、功率型封裝

　　功率LED最早始于HP公司于20世紀90年代初推出“食人魚”封裝結構的LED太陽能路燈，該公司于1994年推出的改良型的“Snap LED”有兩種工作電流，分辨為70mA和150mA，輸入功率可達0.3W。功率LED的輸入功率比原支架式封裝的LED的輸入功率進步了多少倍，熱阻降為本來的多少分之一。瓦級功率LED是將來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對瓦級功率LED的封裝技術進行研討開發。

　　LED芯片及封裝向大功率方向發展，在大電流下產生比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題，因而，管殼及封裝是其要害技術，目前能蒙受數瓦功率的LED封裝已呈現。5W系列白色、綠色、藍綠色、藍色的功率型LED從2003年年初開端推向市場，白光LED的光輸出達187lm，光效為44.3lm/W。目前正開發出可蒙受10W功率的LED，采用大面積管芯LED燈具，尺寸為2.5mm×2.5mm，可在5A電流下工作，光輸出達200lm。

　　Luxeon系列功率LED是將AlGaInN功率型倒裝管芯倒裝焊接在擁有焊料凸點的硅載體上，而后把實現倒裝焊接的硅載體裝入熱襯與管殼中，鍵合引線進行封裝。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計都是最佳的。

　　在應用中，可將已封裝產品組裝在一個帶有鋁夾層的金屬芯PCB板上，構成功率密度型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換效率LED燈具。此外，封裝好的SMD-LED體積很小，可機動地組合起來，形成模塊型、導光板型、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，就必須制備適合的大功率LED芯片。國際上通常的制造大功率LED芯片的辦法有如下幾種：

① 加大尺寸法。通過增大單體LED的有效發光面積和尺寸，促使流經TCL層的電流平均散布，以達到預期的光通量。但是，簡單地增大發光面積無法解決散熱問題和出光問題，并不能達到預期的光通量和實際應用效果。

② 硅底板倒裝法。首先制備出合適共晶焊接的大尺寸LED芯片，同時制備出相應尺寸的硅底板，并在硅底板上制造出供共晶焊接用的金導電層及引出導電層（超聲金絲球焊點），再利用共晶焊接裝備將大尺寸LED芯片與硅底板焊接在一起。這樣的結構較為公道，既考慮了出光問題又斟酌到了散熱問題，這是目前主流的大功率LED的出產方式。

　　美國Lumileds公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒裝芯片（FCLED）結構，其制作流程是：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；再采用掩模抉擇刻蝕掉P型層和多量子阱有源層，露出N型層；經淀積、刻蝕造成N型歐姆接觸層，芯片尺寸為1mm×1mm路燈，P型歐姆接觸為正方形，N型歐姆接觸以梳狀插入其中，這樣可縮短電流擴展間隔，把擴大電阻降至最小；然后將金屬化凸點的AlGaInN芯片倒裝焊接在存在防靜電維護二極管（ESD）的硅載體上。

③ 陶瓷底板倒裝法。先利用LED晶片通用設備制備出具有合適共晶焊接電極結構的大出光面積的LED芯片和相應的陶瓷底板，并在陶瓷底板上制作出共晶焊接導電層及引出導電層，然后利用共晶焊接設備將大尺寸LED芯片與陶瓷底板焊接在一起。這樣的結構既考慮了出光問題也考慮到了散熱問題，并且采用的陶瓷底板為高導熱陶瓷板，散熱效果十分理想，價錢又相對較低，所認為目前較為相宜的底板材料，并可為未來的集成電路一體化封裝預留空間。

④ 藍寶石襯底過渡法。依照傳統的InGaN芯片制造方式在藍寶石襯底上成長出PN結后，將藍寶石襯底切除，再連接上傳統的四元材料，制造出高低電極結構的大尺寸藍光LED芯片。

⑤ AlGaInN碳化硅（SiC）反面出光法。美國Cree公司是寰球獨一采用SiC襯底制造AlGaInN超高亮度LED的廠家，幾年來其出產的AlGaInN/SiCa芯片結構精益求精，亮度一直進步。因為P型和N型電極分離位于芯片的底部和頂部，采用單引線鍵合，兼容性較好，使用便利，因此成為AlGaInN LED發展的另一主流產品。

　　超高亮度LED作為信號燈和其余幫助照明光源應用時，個別是將多個Φ5mm封裝的各種單色和白光LED組裝在一個燈盤或尺度燈座上，使用壽命可到達10萬小時。2000年已有研討指出，Φ5mm白光LED工作6000h后，其光強已降至原來的一半。事實上，采用Φ5mm白光LED陣列的發光安裝，其壽命可能只有5000h。不同色彩的LED的光衰減速度不同，其中紅色最慢，藍、綠色居中，白色最快。因為Φ5mm封裝的LED本來僅用于唆使燈，其封裝熱阻高達300℃/W，不能充足地散熱，以致LED芯片的溫度升高，造成器件光衰減加快。此外，環氧樹脂變黃也將使光輸出下降。大功率LED在大電流下發生比Φ5mm白光LED大10~20倍的光通量，因而必須通過有效的散熱設計和采用不劣化的封裝材料來解決光衰問題，管殼及封裝已成為研制大功率LED的要害技術之一。全新的LED功率型封裝設計理念主要歸為兩類，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Lumileds公司研制出了Luxeon系列大功率LED單芯片封裝結構，這種功率型單芯片LED封裝構造與慣例的Φ5mm LED封裝結構全然不同，它是將正面出光的LED芯片直接焊接在熱襯上，或將反面出光的LED芯片先倒裝在存在焊料凸點的硅載體上，而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征得到改良。這種封裝對取光效力、散熱機能和電流密度的設計都是最佳的，其重要特色有：

① 熱阻低。傳統環氧封裝具有很高的高熱阻，而這種新型封裝結構的熱阻正常僅為14℃/W，可減小至常規LED的1/20。

② 牢靠性高。內部填充穩定的柔性膠凝體，在40~120℃時，不會因溫度驟變產生的內應力使金絲和框架引線斷開。用這種硅橡膠作為光耦合的密封材料，不會涌現普通光學環氧樹脂那樣的變黃景象，金屬引線框架也不會因氧化而臟污。

③ 反射杯和透鏡的最佳設計使輻射可控，光學效率最高。在應用中可將它們組裝在一個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。這樣不僅可失掉較高的光通量，而且還擁有較高的光電轉換效率。

　　單芯片瓦級功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的Luxeon LED，該封裝結構的特點是采用熱電分別的情勢，將倒裝片用硅載體直接焊接在熱襯上，并采用反射杯、光學透鏡和柔性透明膠等新結構和新材料，現可供給單芯片1W、3W和5W的大功率LED產品。OSRAM公司于2003年推出單芯片的Golden Dragon系列LED，其結構特點是熱襯與金屬線路板直接接觸，具備很好的散熱性能，而輸入功率可達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)，發光區位于其中心部位，直徑約為0.9525cm（0.375英寸），可包容40個LED芯片。用鋁板作為熱襯，并使芯片的鍵合引線通過在襯底上做成的兩個接觸點與正極和負極連接。依據所需輸出光功率的大小來斷定襯底上排列管芯的數量太陽能路燈，組合封裝的超高亮度芯片包含AlGaInN和AlGaInP，它們的發射光可為單色、彩色（RGB）、白色（由RGB三基色合成或由藍色和黃色二元合成）。最后采用高折射率的材料按照光學設計形狀進行封裝，不僅取光效率高，而且還可能使芯片和鍵合的引線得到掩護。由40個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，當混色比為0：43（R）0：48（G）：0.009(B)時，光通量的典范值為100lm，CCT尺度色溫為4420K，色坐標x為0.3612，y為0.3529。由此可見，這種采用常規芯片進行高密度組合封裝的功率型LED可以達到較高的亮度程度，具有熱阻低、可在大電流下工作和光輸出功率高級特點。

　　多芯片組合封裝的大功率LED，其結構和封裝情勢較多。美國UOE公司于2001年推出多芯片組合封裝的Norlux系列LED，其結構是采用六角形鋁板作為襯底LED路燈。Lanina Ceramics公司于2003年推出了采用公司獨占的金屬基板上低溫燒結陶瓷（LTCC-M）技術封裝的大功率LED陣列。松下公司于2003年推出由64只芯片組合封裝的大功率白光LED。日亞公司于2003年推出超高亮度白光LED，其光通量可達600lm，輸出光束為1000lm時，耗電量為30W，最大輸入功率為50W，白光LED模塊的發光效率達33lm/W。我國臺灣UEC（國聯）公司采用金屬鍵合（Metal Bonding）技術封裝的MB系列大功率LED的特點是，用Si取代GaAs襯底，散熱后果好，并以金屬粘結層作為光反射層，提高了光輸出。

　　功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發光效率、發光波長、使用壽命等，因此，功率型LED芯片的封裝設計、制造技術顯得尤為重要。大功率LED封裝中主要需考慮的問題有：

① 散熱。散熱對功率型LED器件來說是至關主要的。假如不能將電流產生的熱量及時地散出，堅持PN結的結溫在容許范疇內，將無奈取得穩固的光輸出和保持畸形的器件壽命。

　　在常用的散熱材料中銀的導熱率最高，然而銀的成本較高，不合適作通用型散熱器。銅的導熱率比擬瀕臨銀，且其本錢較銀低。鋁的導熱率固然低于銅，但其綜合本錢最低，有利于大范圍制作。

　　經由試驗對照發明較為適合的做法是：銜接芯片部門采取銅基或銀基熱襯，再將該熱襯銜接在鋁基散熱器上，采取階梯型導熱結構，應用銅或銀的高導熱率將芯片發生的熱量高效地傳遞給鋁基散熱器，再通過鋁基散熱器將熱量散出（通過風冷或熱傳導方法散出）。這種做法的長處是：充足斟酌散熱器的性價比，將不同特點的散熱器聯合在一起，做到高效散熱并使成本節制公道化。

　　應留神的是：連接銅基熱襯與芯片的材料的挑選是非常重要的，LED行業常用的芯片連接材料為銀膠。但是，經過研究發明，銀膠的熱阻為10~25W/(m·K)，如果采用銀膠作為連接材料，就即是人為地在芯片與熱襯之間加上一道熱阻。另外，銀膠固化后的內部根本結構為環氧樹脂骨架+銀粉填充式導熱導電結構，這種結構的熱阻極高且TG點較低，對器件的散熱與物理特性的穩定極為不利。解決此問題的做法是：以錫片焊作為晶粒與熱襯之間的連接材料[錫的導熱系數為67W/（m·K）]，可以失掉較為幻想的導熱效果（熱阻約為16℃/W）。錫的導熱效果與物理特性遠優于銀膠。

② 出光。傳統的LED器件封裝方法只能利用芯片發出的約50%的光能，因為半導體與關閉環氧樹脂的折射率相差較大，以致內部的全反射臨界角很小，有源層產生的光只有小部分被掏出，大部分光在芯片內部經屢次反射而被接收，這是超高亮度LED芯片取光效率很低的基本起因。如何將內部不同材料間折射、反射耗費的50%光能加以利用，是設計出光系數的癥結。

　　通過芯片的倒裝技術（Flip Chip）能夠比傳統的LED芯片封裝技術得到更多的有效出光。然而，假如說不在芯片的發光層與電極下方增添反射層來反射出揮霍的光能，則會造成約8%的光喪失，所以在底板材料上必須增添反射層。芯片側面的光也必須應用熱襯的鏡面加工法加以反射出，增長器件的出光率。而且在倒裝芯片的藍寶石襯底部門與環氧樹脂導光聯合面上應加上一層硅膠材料，以改良芯片出光的折射率。

　　經由上述光學封裝技術的改善，可以大幅度提高大功率LED器件的出光率（光通量）。大功率LED器件頂部透鏡的光學設計也是非常主要的，通常的做法是：在進行光學透鏡設計時應充分考慮終極照明用具的光學設計要求，盡量配合應用照明用具的光學要求進行設計。

　　常用的透鏡外形有：凸透鏡、凹錐透鏡、球鏡、菲涅爾透鏡以及組合式透鏡等。透鏡與大功率LED器件的幻想裝配方法是采用氣密性封裝，如果受透鏡外形所限，也可采用半氣密性封裝。透鏡材料應取舍高透光率的玻璃或亞克力等合成材料，也能夠采用傳統的環氧樹脂模組式封裝，加上二次散熱設計也基礎可以達到提高出光率的效果。