在LED產(chǎn)業(yè)結構中，封裝和應用位于產(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）轉變并*終實現(xiàn)照明應用產(chǎn)品，是LED產(chǎn)品作為半導體照明光源真正進入市場并取代傳統(tǒng)照明光源的直接環(huán)節(jié)。

　　由于發(fā)展起始時間相對落后，我國的LED半導體照明在封裝及應用領域產(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、生長設備等方面先發(fā)技術及核心知識產(chǎn)權缺失并受外國技術封鎖，中下游的自主創(chuàng)新及專利申請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產(chǎn)業(yè)集中的先天特點，在LED封裝及應用領域的產(chǎn)業(yè)規(guī)模處于國際**水平。據(jù)統(tǒng)計，我國LED照明應用產(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，重復低水平投資建設現(xiàn)象也較為嚴重，市場競爭無序。同時，相關行業(yè)標準、檢測和認證體系建設仍待加強，服務支撐體系尚需完善。

　　作為新型照明技術，半導體照明仍處于不斷發(fā)展的上升期，技術水平和指標仍在不斷被刷新。在這樣的大背景下，必須要堅持技術創(chuàng)新，突破國外專利封鎖，加強新技術、新材料、新產(chǎn)品開發(fā)，培育具有自主知識產(chǎn)權和較強競爭力的核心產(chǎn)品，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構，建立以市場需求為導向、以行業(yè)龍頭企業(yè)為骨干的LED產(chǎn)業(yè)，加強產(chǎn)業(yè)發(fā)展宏觀指導，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)揮市場配置資源的基礎作用，規(guī)范市場競爭行為，實現(xiàn)我國LED照明產(chǎn)品質量達到國際先進水平，真正實現(xiàn)LED半導體照明的美好藍圖。

　　2. 封裝

　　2.1. 概述

　　LED封裝技術借鑒了分立器件封裝技術，并有很大的特殊性，即除了常規(guī)的電氣互連和機械性保護以確保管芯正常工作的同時，更強調(diào)光學、熱學方面的設計創(chuàng)新和技術要求。特別是隨著LED芯片技術的日趨成熟，LED功率化、多應用領域的趨勢日趨顯著，對于封裝技術的要求也日趨嚴格。

　　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)芯片封裝時的位置也可以分為正裝、倒裝（flip chip）、垂直結構等封裝格式。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用的需求，LED封裝需要達到的功能更為清晰和明確：1、管芯保護，提高芯片和器件運行的可靠性，增強防靜電沖擊，抗機械震動能力；2、加強散熱，降低芯片結溫，延長芯片、熒光粉壽命；3、光學優(yōu)化，通過涂敷熒光粉實現(xiàn)光譜，提高出光效率同時優(yōu)化并實現(xiàn)特定出光分布；4、電學管理，優(yōu)化并完成多芯片串并連，甚至實現(xiàn)交直流轉變或電源控制。

　　2.2. LED封裝是材料學、電學、光學、熱學綜合課題

　　LED封裝技術是隨著LED管芯技術進步以及半導體照明需求的發(fā)展而逐漸演化過來。由于LED屬于利用半導體材料能帶進行電致發(fā)光，因而其本質上有別于傳統(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，因此散熱技術或稱為熱管理技術成為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，在實際應用中，盡可能高效的利用光能同時避免眩光導致用戶不適，是充分體現(xiàn)半導體照明高效、節(jié)能優(yōu)勢的必要條件，因此光學管理在LED封裝中同樣具有重要意義。第三，隨著芯片外延技術的提升，LED性能不斷優(yōu)化，導致封裝器件失效的主要原因已經(jīng)從芯片本身轉變?yōu)橛捎诜庋b材料的老化、腐蝕、斷裂等因素，因此對于封裝材料提出了更高要求。*后，隨著半導體照明對大功率、高光通量器件的需求的增加，多芯片封裝、高壓驅動封裝、超高功率封裝等方案不斷出現(xiàn)，而這些新方案對于靜電保護、電氣拓撲等電學性能提出了更高要求。同樣，上述熱學、光學、電學方面的技術進步必然要求具有更優(yōu)良熱學性能、光學性能以及電學性能的高性能、新型封裝材料的出現(xiàn)。而作為具體的應用方案，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封裝技術的進步，必須綜合考慮相關領域材料特性、結構性能以及彼此影響，是材料學、電學、光學、熱學的交叉領域研究課題。

　　2.3. 三維封裝和多功能系統(tǒng)集成封裝技術的探索和開發(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的特性，LED芯片多采用共面電極方式，而封裝時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，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（如藍寶石）的導熱系數(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、大功率封裝需求進一步增加，對LED封裝方案的散熱性能提出了更高要求。高壓驅動、交流驅動等新型技術的出現(xiàn)，也令傳統(tǒng)平面式電氣互聯(lián)封裝方案面臨窘境。而越來越廣的應用場合，對LED封裝提出了更多更細的要求，對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、垂直結構LED等封裝方案為行業(yè)采用，但應用范圍相對較小。基于倒裝方案，利用金屬焊點進行傳熱，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金屬材質、焊點面積等因素影響，其工藝成本也為之增加。而垂直結構的封裝方案，由于剝離了低導熱系數(shù)的外延襯底或采用導電材料作為外延襯底，并可以實現(xiàn)大面積金屬共晶焊技術增加導熱通道面積，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，對設計思路和理念、材料特性以及封裝技術本身提出更多創(chuàng)新性要求。作為三維封裝技術的一種可能，三維打印技術從出現(xiàn)到今天，有了長足進步，并在制造復雜結構零件、藝術創(chuàng)意設計等領域有了應用，其基于塑料噴射、粉末融合等方案的設備已經(jīng)有了商業(yè)化應用，但從進行工業(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，如多材料復合制備、材料間熱應力平衡控制、制備速度和生產(chǎn)效率等。可以說直接實現(xiàn)基于三維打印的封裝技術，對于LED產(chǎn)業(yè)而言仍是較為遙遠的設想。但基于三維打印概念，我們可以探索LED封裝新設計方案以及制備工藝，如新的熱電分離封裝技術、基于分層制造的封裝結構設計等。

　　作為*為成熟并有望應用于實際工業(yè)生產(chǎn)的三維打印技術，基于納米導電材料的三維電極打印技術在實現(xiàn)復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，更能通過計算機輔助實現(xiàn)設計、修改、制備的快速實現(xiàn)。而利用快速自固化打印材料，可以實現(xiàn)懸空電路，甚至實現(xiàn)傳統(tǒng)鍵合金線相同功能但無法實現(xiàn)且更為復雜、性能更優(yōu)的立體電路。也可以利用高粘性打印材料在復雜曲面襯底以及垂壁上進行零距離、貼合表面的電路加工制備，克服傳統(tǒng)鍵合金線機械性能缺陷，也彌補傳統(tǒng)光刻制備工藝的難題。

　　基于三維打印的電路制備技術，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力消除在內(nèi)的控制方法和參數(shù)。實現(xiàn)室溫適用、高性能、多適應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)，實現(xiàn)微米級加工精度、快速高效打印速率。

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

　　多噴頭聯(lián)動技術。目前三維打印的重要瓶頸是打印速率導致的生產(chǎn)效率相對較低。基于多噴頭聯(lián)動的三維打印技術，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。實現(xiàn)多噴頭聯(lián)動，需要利用計算機技術對模型進行快速有效的分解和噴頭之間功能劃分，同時，規(guī)劃好機械系統(tǒng)的運動伺服動作以及反饋控制。設計并探索合理的并行聯(lián)動方案或流水聯(lián)動方案，需要在高精度打印系統(tǒng)的基礎上，進一步探索并實現(xiàn)高精度、多噴頭打印技術，并制備打印系統(tǒng)。

　　從長遠來看，加快針對三維封裝的封裝結構、封裝材料以及系統(tǒng)化集成方案的探索和研究，減少或實現(xiàn)無鍵合金線的封裝方法，采用類似集成電路的封裝概念，有助于實現(xiàn)更優(yōu)良的器件散熱能力，解決電、熱傳輸矛盾，實現(xiàn)更小封裝尺寸，并有望實現(xiàn)多功能系統(tǒng)級封裝（system in package，SiP）LED，滿足日益復雜的LED應用要求。

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

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

　　2013年2月美國科銳（cree）公司已經(jīng)實現(xiàn)了276 lm/W的實驗室芯片效率，其量產(chǎn)瓦級芯片的效率也以達到200 lm/W以上水平，遠遠超過了傳統(tǒng)光源的發(fā)光效率。作為不可或缺的部分，高效熒光粉成為實現(xiàn)高效半導體照明的重要保障。

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

　　為克服YAG熒光粉的不足，實現(xiàn)更高品質半導體照明方案，新型熒光粉方案、特別是高效紅光熒光粉技術也不斷被開發(fā)出來。如基于硅酸鹽的熒光粉，可以實現(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一步提升。

　　相比之下，氮化物及氮氧化物熒光粉技術因具有獨特的激發(fā)光譜特性（ 激發(fā)范圍紫外至藍光） 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)界的極大關注。雖然日本國家材料研究所*早開始相關研究并取得了較多成果，但其專利池及相關知識產(chǎn)權仍有突破空間。氮化物、氮氧化物熒光粉制備需高溫高壓環(huán)境，且技術尚待進一步成熟，目前仍無法徹底替代YAG.

　　基于量子點技術方案，也可以實現(xiàn)較高效率熒光粉方案，并且該技術從原理上可以實現(xiàn)完整的熒光光譜和逐步調(diào)節(jié)，并有望比傳統(tǒng)熒光粉技術實現(xiàn)更低的成本。但基于量子點的熒光粉技術距離產(chǎn)業(yè)化仍有距離，其耐熱性及穩(wěn)定性仍需進一步提高。