面向照明用光源的LED封裝技術(shù)探討

照明就是為人類用眼睛感知世界和辨識(shí)物體提供光線。太陽是天然廉價(jià)的最佳照明光源，在太陽光照射不到的地方，人類需要借助人工光源進(jìn)行照明。人類對(duì)照明光源的使用，經(jīng)歷了從蠟燭、油燈、煤氣燈等簡單光源，到愛迪生發(fā)明的白熾燈，再到熒光燈、鹵素?zé)?、高壓鈉燈、金屬鹵素化燈、三基色熒光燈等電光源。各種電光源的出現(xiàn)，在給世界帶來了越來越多光明的同時(shí)，也帶來了越來越多的節(jié)能環(huán)保方面的問題。20世紀(jì)90年代后期，白光LED的出現(xiàn)，使節(jié)能環(huán)保的固態(tài)照明成為可能。

LED具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、使用壽命長、響應(yīng)速度快、安全可靠和使用靈活等顯著特點(diǎn)，已被公眾廣泛認(rèn)可為繼煤油燈、白熾燈、氣體放電燈之后的第四代革命性照明光源。

從1962年第一只LED問世至今的四十多年的時(shí)間里，LED的封裝形態(tài)發(fā)生了多次的演變。從60年代的玻殼封裝，到70年代的環(huán)氧樹脂封裝，到90年代中后期的四腳食人魚封裝、貼片式SMD封裝、大功率封裝、芯片集成式COB封裝等。隨著大功率LED在半導(dǎo)體照明應(yīng)用的不斷深入，其封裝形態(tài)在短短的幾年里已發(fā)生了多次的變化。

表1、各種照明光源的主要性能指標(biāo)的比較
 

一、發(fā)展新型LED光源封裝形式，保證性能的前提下降低封裝、應(yīng)用成本

LED封裝形態(tài)的每一次變化，都是因其應(yīng)用領(lǐng)域需求的不同而做出的。走向未來照明的LED光源將會(huì)是什么樣子的？現(xiàn)有的LED封裝能否走向照明？要回答這個(gè)問題，得弄清楚半導(dǎo)體照明對(duì)LED光源的需求。

從現(xiàn)階段的性能指標(biāo)來看，LED已經(jīng)初步具備了進(jìn)入照明領(lǐng)域的能力。盡管目前的性能優(yōu)勢并不明顯，但隨著外延、芯片技術(shù)的快速突破和封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，LED作為照明光源的性能將遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)光源的性能，這一前景是可以期待的。

LED光源要進(jìn)入照明領(lǐng)域，性能的優(yōu)劣只是前提，成本的高低才是真正的決定因素。在半導(dǎo)體照明發(fā)展的初期，著力于追求性能是必須的；在半導(dǎo)體照明發(fā)展到一定階段，我們應(yīng)將注意力轉(zhuǎn)移到如何在保證性能的前提下大幅度降低成本。因?yàn)槲覀円龅牟恢皇切≠Y們欣賞的藝術(shù)品，而是普通大眾都能接受的大宗商品。成品的高低決定著LED作為光源對(duì)照明領(lǐng)域滲透率的高低。

商品成本的降低，一般有以下途徑：

材料降成本--在原有產(chǎn)品方案上壓供應(yīng)商的材料價(jià)、降低材料等級(jí)或選用替代材料，最直接有效，但幅度有限，且存在一定的品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)；

技術(shù)降成本--采用新的技術(shù)路線，改變原有產(chǎn)品方案，減少用料和制造環(huán)節(jié)，幅度客觀；

效率降成本--有賴于技術(shù)、設(shè)備和管理的進(jìn)步。

要降低LED光源的成本，以上途徑都要考慮，但首要考慮的是如何因應(yīng)半導(dǎo)體照明的特點(diǎn)，打破傳統(tǒng)封裝觀念的約束，以新的技術(shù)方案來降低LED的封裝成本。

對(duì)傳統(tǒng)照明而言，一般都是采用“光源+燈具”的模式，光源的制造相對(duì)獨(dú)立于燈具。由于LED光源具有體積小、發(fā)強(qiáng)光和易于控制等的特點(diǎn)，故在應(yīng)用中一般可根據(jù)照明效果的要求做出靈活的變化和選擇。對(duì)于半導(dǎo)體照明而言，LED光源與燈具的制造沒有明顯的界限，LED光源成本的降低應(yīng)與照明系統(tǒng)的要求整體考慮。因此，LED光源的封裝方案應(yīng)根據(jù)照明系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路、熱量管理、光學(xué)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等要求而做出，目的就是發(fā)展新型的LED光源封裝形式，在保證整體性能的前提下大幅度降低封裝和應(yīng)用成本。

二、芯片集成COB光源模塊個(gè)性化封裝可能成為半導(dǎo)體照明未來主流封裝形式

LED有分立和集成兩種封裝形式。LED分立器件屬于傳統(tǒng)封裝，廣泛應(yīng)用于各個(gè)相關(guān)的領(lǐng)域，經(jīng)過四十多年的發(fā)展，已形成了一系列的主流產(chǎn)品形式。芯片集成COB模塊目前屬于個(gè)性化封裝，主要為一些個(gè)案性的應(yīng)用產(chǎn)品而設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，尚未形成主流產(chǎn)品形式。

傳統(tǒng)的LED燈具做法是：LED分源分立器件→MCPCB光源模組→LED燈具，主要是由于沒有現(xiàn)成合適的核心光源組件而采取的做法，不但耗工費(fèi)時(shí)，而且成本較高。實(shí)際上，我們可以將“LED光源分立器件→MCPCB光源模組”合二為一，直接將LED芯片集成在MCPCB（或其它基板）上做成COB光源模塊，走“COB光源模塊→LED燈具”的路線，不但省工省時(shí)，而且可以節(jié)省器件封裝的成本。

與分立LED器件相比，COB光源模塊在照明應(yīng)用中可以節(jié)省LED的一次封裝成本、光引擎模組制作成本和二次配光成本。在相同功能的照明燈具系統(tǒng)中，實(shí)際測算可以降低30%左右的光源成本，這對(duì)于半導(dǎo)體照明的應(yīng)用推廣有著十分重大的意義。在性能上，通過合理的設(shè)計(jì)和微透鏡模造，COB光源模塊可以有效地避免分立光源器件組合存在的點(diǎn)光、眩光等弊端；還可以通過加入適當(dāng)?shù)募t色芯片組合，在不明顯降低光源效率和壽命的前提下，有效地提高光源的顯色性（目前已經(jīng)可以做到90以上）。在應(yīng)用上，COB光源模塊可以使照明燈具廠的安裝生產(chǎn)更簡單和方便，有效地降低了應(yīng)用成本。在生產(chǎn)上，現(xiàn)有的工藝技術(shù)和設(shè)備完全可以支持高良品率的

OB光源模塊的大規(guī)模制造。隨著LED照明市場的拓展，燈具需求量在快速增長，我們完全可以根據(jù)不同燈具應(yīng)用的需求，逐步形成系列COB光源模塊主流產(chǎn)品，以便大規(guī)模生產(chǎn)。

三、小型化貼片式LED也將是LED光源的另外一大主流產(chǎn)品

除了芯片集成的COB光源模塊有可能成為未來的半導(dǎo)體照明的主流封裝形式外，高性能、低成本、方便于大規(guī)模生產(chǎn)制造和安裝應(yīng)用的小型化貼片式LED也將是LED光源的另外一大主流產(chǎn)品。個(gè)人認(rèn)為，未來半導(dǎo)體照明的主要表現(xiàn)形式為：

平面照明--辦公場所或背光照明；

帶狀照明--裝飾照明；

燈具照明--替代傳統(tǒng)照明。

在平面照明產(chǎn)品中，芯片集成的COB光源模塊和貼片式LED的應(yīng)用將并存；在帶狀照明產(chǎn)品中，貼片式LED將獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷；在燈具照明產(chǎn)品中，芯片集成的COB光源模塊的應(yīng)用將成為主流。

總之，走向照明的LED光源將形成兩大主流形態(tài)--功能化的芯片集成COB光源模塊額小型化LED器件，低成本將是永恒的主題。誰能率先打破傳統(tǒng)封裝的約束，開發(fā)出符合半導(dǎo)體照明需求的LED光源，誰就能占得產(chǎn)品的先機(jī)；誰能夠在保證性能的前提下將成本做到極致，誰就能把握未來LED光源的市場。