在LED產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，封裝和應(yīng)用位于產(chǎn)業(yè)鏈中下游，完成將LED產(chǎn)品由芯片（Chip）向管芯（Diode）及器件（Device or Components）轉(zhuǎn)變并*終實(shí)現(xiàn)照明應(yīng)用產(chǎn)品，是LED產(chǎn)品作為半導(dǎo)體照明光源真正進(jìn)入市場(chǎng)并取代傳統(tǒng)照明光源的直接環(huán)節(jié)。

　　由于發(fā)展起始時(shí)間相對(duì)落后，我國的LED半導(dǎo)體照明在封裝及應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)也受到了高性能輔料等外國專利或產(chǎn)品的制約。相比于上游由于在芯片外研、原材料、生長設(shè)備等方面先發(fā)技術(shù)及核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)缺失并受外國技術(shù)封鎖，中下游的自主創(chuàng)新及專利申請(qǐng)情況則與國外處于同一起跑線。由于我國作為傳統(tǒng)照明產(chǎn)品輸出大國以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)集中的先天特點(diǎn)，在LED封裝及應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)規(guī)模處于國際**水平。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國LED照明應(yīng)用產(chǎn)品的產(chǎn)量占全球60 %以上，業(yè)已成為LED照明產(chǎn)品的全球制造基地。

　　但作為LED產(chǎn)業(yè)中下游，一方面仍然受上游及材料領(lǐng)域國外核心產(chǎn)品及專利限制，另一方面企業(yè)規(guī)模偏小，產(chǎn)業(yè)集中度低，重復(fù)低水平投資建設(shè)現(xiàn)象也較為嚴(yán)重，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)無序。同時(shí)，相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)和認(rèn)證體系建設(shè)仍待加強(qiáng)，服務(wù)支撐體系尚需完善。

　　作為新型照明技術(shù)，半導(dǎo)體照明仍處于不斷發(fā)展的上升期，技術(shù)水平和指標(biāo)仍在不斷被刷新。在這樣的大背景下，必須要堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新，突破國外專利封鎖，加強(qiáng)新技術(shù)、新材料、新產(chǎn)品開發(fā)，培育具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的核心產(chǎn)品，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，建立以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向、以行業(yè)龍頭企業(yè)為骨干的LED產(chǎn)業(yè)，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展宏觀指導(dǎo)，形成有利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策及配套環(huán)境，充分發(fā)揮市場(chǎng)配置資源的基礎(chǔ)作用，規(guī)范市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)行為，實(shí)現(xiàn)我國LED照明產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國際先進(jìn)水平，真正實(shí)現(xiàn)LED半導(dǎo)體照明的美好藍(lán)圖。

　　2. 封裝

　　2.1. 概述

　　LED封裝技術(shù)借鑒了分立器件封裝技術(shù)，并有很大的特殊性，即除了常規(guī)的電氣互連和機(jī)械性保護(hù)以確保管芯正常工作的同時(shí)，更強(qiáng)調(diào)光學(xué)、熱學(xué)方面的設(shè)計(jì)創(chuàng)新和技術(shù)要求。特別是隨著LED芯片技術(shù)的日趨成熟，LED功率化、多應(yīng)用領(lǐng)域的趨勢(shì)日趨顯著，對(duì)于封裝技術(shù)的要求也日趨嚴(yán)格。

　　LED封裝格式從早期小功率插件式（through-hole）封裝，逐漸發(fā)展出表貼式器件（surface mounting device，SMD）封裝、功率型（high power）封裝以及多芯片（multi chips on board，MCOB）封裝等格式。根據(jù)芯片封裝時(shí)的位置也可以分為正裝、倒裝（flip chip）、垂直結(jié)構(gòu)等封裝格式。LED封裝材料涉及支架、基板、熒光粉、硅膠、固晶膠、透鏡、鍵合金線（合金線）、散熱熱沉等。

　　隨著LED的大功率化，特別是大功率白光應(yīng)用的需求，LED封裝需要達(dá)到的功能更為清晰和明確：1、管芯保護(hù)，提高芯片和器件運(yùn)行的可靠性，增強(qiáng)防靜電沖擊，抗機(jī)械震動(dòng)能力；2、加強(qiáng)散熱，降低芯片結(jié)溫，延長芯片、熒光粉壽命；3、光學(xué)優(yōu)化，通過涂敷熒光粉實(shí)現(xiàn)光譜，提高出光效率同時(shí)優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)特定出光分布；4、電學(xué)管理，優(yōu)化并完成多芯片串并連，甚至實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)變或電源控制。

　　2.2. LED封裝是材料學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)綜合課題

　　LED封裝技術(shù)是隨著LED管芯技術(shù)進(jìn)步以及半導(dǎo)體照明需求的發(fā)展而逐漸演化過來。由于LED屬于利用半導(dǎo)體材料能帶進(jìn)行電致發(fā)光，因而其本質(zhì)上有別于傳統(tǒng)照明工具，屬于冷光源，并且器件的發(fā)光效率隨工作溫度的增加而下降，因此散熱技術(shù)或稱為熱管理技術(shù)成為LED封裝所要解決的首要問題。其次，由于LED具有體積小、光通量大的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，盡可能高效的利用光能同時(shí)避免眩光導(dǎo)致用戶不適，是充分體現(xiàn)半導(dǎo)體照明高效、節(jié)能優(yōu)勢(shì)的必要條件，因此光學(xué)管理在LED封裝中同樣具有重要意義。第三，隨著芯片外延技術(shù)的提升，LED性能不斷優(yōu)化，導(dǎo)致封裝器件失效的主要原因已經(jīng)從芯片本身轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎诜庋b材料的老化、腐蝕、斷裂等因素，因此對(duì)于封裝材料提出了更高要求。*后，隨著半導(dǎo)體照明對(duì)大功率、高光通量器件的需求的增加，多芯片封裝、高壓驅(qū)動(dòng)封裝、超高功率封裝等方案不斷出現(xiàn)，而這些新方案對(duì)于靜電保護(hù)、電氣拓?fù)涞入妼W(xué)性能提出了更高要求。同樣，上述熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)方面的技術(shù)進(jìn)步必然要求具有更優(yōu)良熱學(xué)性能、光學(xué)性能以及電學(xué)性能的高性能、新型封裝材料的出現(xiàn)。而作為具體的應(yīng)用方案，也要求人們提出更好、更優(yōu)、更具有創(chuàng)新精神的新的封裝格式。可以說LED封裝技術(shù)的進(jìn)步，必須綜合考慮相關(guān)領(lǐng)域材料特性、結(jié)構(gòu)性能以及彼此影響，是材料學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)的交叉領(lǐng)域研究課題。

　　2.3. 三維封裝和多功能系統(tǒng)集成封裝技術(shù)的探索和開發(fā)

　　LED封裝格式直接影響LED器件及下游產(chǎn)品的性能。由于外延襯底及外延技術(shù)的特性，LED芯片多采用共面電極方式，而封裝時(shí)多采用平面電氣互聯(lián)方案，采用鍵合金線引出。為了絕緣等需求，封裝時(shí)，電氣層與封裝熱沉之間增加絕緣層或直接采用絕緣陶瓷作為熱沉，封裝器件的散熱受絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)限制。特別是正面出光封裝方案，由于外延襯底（如藍(lán)寶石）的導(dǎo)熱系數(shù)低，散熱性能受到極大限制。

　　隨著LED芯片的功率密度越來越大，多芯片、大功率封裝需求進(jìn)一步增加，對(duì)LED封裝方案的散熱性能提出了更高要求。高壓驅(qū)動(dòng)、交流驅(qū)動(dòng)等新型技術(shù)的出現(xiàn)，也令傳統(tǒng)平面式電氣互聯(lián)封裝方案面臨窘境。而越來越廣的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)LED封裝提出了更多更細(xì)的要求，對(duì)LED器件的集成度、系統(tǒng)化要求也越來越高，功能化要求日益突出。

　　借鑒傳統(tǒng)IT行業(yè)封裝概念，已有包括倒裝LED、垂直結(jié)構(gòu)LED等封裝方案為行業(yè)采用，但應(yīng)用范圍相對(duì)較小。基于倒裝方案，利用金屬焊點(diǎn)進(jìn)行傳熱，可以有效降低芯片與封裝熱沉之間的熱阻，但其散熱性能受焊點(diǎn)金屬材質(zhì)、焊點(diǎn)面積等因素影響，其工藝成本也為之增加。而垂直結(jié)構(gòu)的封裝方案，由于剝離了低導(dǎo)熱系數(shù)的外延襯底或采用導(dǎo)電材料作為外延襯底，并可以實(shí)現(xiàn)大面積金屬共晶焊技術(shù)增加導(dǎo)熱通道面積，因此具有*優(yōu)異的散熱性能，但受限于透明電極材料并且其成本也是*高。

　　三維封裝技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)思路和理念、材料特性以及封裝技術(shù)本身提出更多創(chuàng)新性要求。作為三維封裝技術(shù)的一種可能，三維打印技術(shù)從出現(xiàn)到今天，有了長足進(jìn)步，并在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件、藝術(shù)創(chuàng)意設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有了應(yīng)用，其基于塑料噴射、粉末融合等方案的設(shè)備已經(jīng)有了商業(yè)化應(yīng)用，但從進(jìn)行工業(yè)化大批量生產(chǎn)的角度而言，仍存在許多需要克服的缺點(diǎn)，如多材料復(fù)合制備、材料間熱應(yīng)力平衡控制、制備速度和生產(chǎn)效率等。可以說直接實(shí)現(xiàn)基于三維打印的封裝技術(shù)，對(duì)于LED產(chǎn)業(yè)而言仍是較為遙遠(yuǎn)的設(shè)想。但基于三維打印概念，我們可以探索LED封裝新設(shè)計(jì)方案以及制備工藝，如新的熱電分離封裝技術(shù)、基于分層制造的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

　　作為*為成熟并有望應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的三維打印技術(shù)，基于納米導(dǎo)電材料的三維電極打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多層曲面線路制備方面已經(jīng)在某些電子工業(yè)中開始探索并得到應(yīng)用。相比與傳統(tǒng)電子線路制備方法，基于三維打印的電路制備方案，可以實(shí)現(xiàn)零材料損耗、避免光刻腐蝕、減少模版制備等等，從而減少污染、節(jié)約成本，更能通過計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、修改、制備的快速實(shí)現(xiàn)。而利用快速自固化打印材料，可以實(shí)現(xiàn)懸空電路，甚至實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鍵合金線相同功能但無法實(shí)現(xiàn)且更為復(fù)雜、性能更優(yōu)的立體電路。也可以利用高粘性打印材料在復(fù)雜曲面襯底以及垂壁上進(jìn)行零距離、貼合表面的電路加工制備，克服傳統(tǒng)鍵合金線機(jī)械性能缺陷，也彌補(bǔ)傳統(tǒng)光刻制備工藝的難題。

　　基于三維打印的電路制備技術(shù)，尚需要解決許多問題，如：

　　高性能打印電極材料。探索適用于打印的高性能導(dǎo)電材料，快速可控自固化輔助材料、高附著力輔助材料以及高絕緣性能材料，探索各種材料自身性能、打印控制參數(shù)，探索不同材料之間混合后打印材料性能以及包括應(yīng)力消除在內(nèi)的控制方法和參數(shù)。實(shí)現(xiàn)室溫適用、高性能、多適應(yīng)性打印電極材料以及打印方案，建立健全材料性能數(shù)據(jù)庫、混合材料性能數(shù)據(jù)庫。

　　高精度打印系統(tǒng)。包括高精度定位平移系統(tǒng)、高精度打印噴頭、高精度反饋伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)加工精度、快速高效打印速率。

　　快速襯底探測(cè)、建模技術(shù)。基于三維打印概念實(shí)現(xiàn)復(fù)雜襯底表面制備，一般需要事先輸入襯底模型以進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和打印控制。因此，可以進(jìn)行快速襯底探測(cè)、建模的輔助系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)更有效的三維打印電路制備，或進(jìn)行伺服反饋。

　　多噴頭聯(lián)動(dòng)技術(shù)。目前三維打印的重要瓶頸是打印速率導(dǎo)致的生產(chǎn)效率相對(duì)較低。基于多噴頭聯(lián)動(dòng)的三維打印技術(shù)，是提高三維打印速率特別是大面積產(chǎn)品上生產(chǎn)效率較為理想的解決方案之一。實(shí)現(xiàn)多噴頭聯(lián)動(dòng)，需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行快速有效的分解和噴頭之間功能劃分，同時(shí)，規(guī)劃好機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)伺服動(dòng)作以及反饋控制。設(shè)計(jì)并探索合理的并行聯(lián)動(dòng)方案或流水聯(lián)動(dòng)方案，需要在高精度打印系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索并實(shí)現(xiàn)高精度、多噴頭打印技術(shù)，并制備打印系統(tǒng)。

　　從長遠(yuǎn)來看，加快針對(duì)三維封裝的封裝結(jié)構(gòu)、封裝材料以及系統(tǒng)化集成方案的探索和研究，減少或?qū)崿F(xiàn)無鍵合金線的封裝方法，采用類似集成電路的封裝概念，有助于實(shí)現(xiàn)更優(yōu)良的器件散熱能力，解決電、熱傳輸矛盾，實(shí)現(xiàn)更小封裝尺寸，并有望實(shí)現(xiàn)多功能系統(tǒng)級(jí)封裝（system in package，SiP）LED，滿足日益復(fù)雜的LED應(yīng)用要求。

　　2.4. 高光效、高顯色指數(shù)、長壽命熒光粉開發(fā)及其涂覆技術(shù)研究

　　1997年，日本日亞（Nichia）公司首先采用GaN基藍(lán)光芯片結(jié)合YAG：Ce黃光熒光粉產(chǎn)生二元白光的作為白光照明方案，并申請(qǐng)了專利。該技術(shù)路線也成為半導(dǎo)體白光照明的主流技術(shù)路線。

　　2013年2月美國科銳（cree）公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了276 lm/W的實(shí)驗(yàn)室芯片效率，其量產(chǎn)瓦級(jí)芯片的效率也以達(dá)到200 lm/W以上水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)光源的發(fā)光效率。作為不可或缺的部分，高效熒光粉成為實(shí)現(xiàn)高效半導(dǎo)體照明的重要保障。

　　基于釔鋁石榴石（YAG）的熒光粉技術(shù)，在紅光部分性能較差，難以滿足低色溫照明需求，其與藍(lán)光芯片結(jié)合的二元白光技術(shù)也難以滿足高顯色指數(shù)照明需求。同時(shí)其相關(guān)核心專利大部分集中在國外公司手中，對(duì)我國熒光粉產(chǎn)業(yè)的自主化也產(chǎn)生了較強(qiáng)的技術(shù)壁壘。

　　為克服YAG熒光粉的不足，實(shí)現(xiàn)更高品質(zhì)半導(dǎo)體照明方案，新型熒光粉方案、特別是高效紅光熒光粉技術(shù)也不斷被開發(fā)出來。如基于硅酸鹽的熒光粉，可以實(shí)現(xiàn)更寬的激發(fā)譜、更豐富的熒光范圍，并可通過改變或調(diào)整摻雜元素實(shí)現(xiàn)較好的激發(fā)效率，也可滿足不同色溫需求，但其發(fā)光效率、熱穩(wěn)定性以及耐濕性等性能也有待進(jìn)一步提升。

　　相比之下，氮化物及氮氧化物熒光粉技術(shù)因具有獨(dú)特的激發(fā)光譜特性（ 激發(fā)范圍紫外至藍(lán)光） 以及優(yōu)異的發(fā)光特性（ 發(fā)射綠光至紅光） ，且耐溫特性和化學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于鋁酸鹽黃粉，受到了白光LED 業(yè)界的極大關(guān)注。雖然日本國家材料研究所*早開始相關(guān)研究并取得了較多成果，但其專利池及相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)仍有突破空間。氮化物、氮氧化物熒光粉制備需高溫高壓環(huán)境，且技術(shù)尚待進(jìn)一步成熟，目前仍無法徹底替代YAG.

　　基于量子點(diǎn)技術(shù)方案，也可以實(shí)現(xiàn)較高效率熒光粉方案，并且該技術(shù)從原理上可以實(shí)現(xiàn)完整的熒光光譜和逐步調(diào)節(jié)，并有望比傳統(tǒng)熒光粉技術(shù)實(shí)現(xiàn)更低的成本。但基于量子點(diǎn)的熒光粉技術(shù)距離產(chǎn)業(yè)化仍有距離，其耐熱性及穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步提高。