在LED產業結構中，封裝和應用位于產業鏈中下游，完成將LED產品由芯片（Chip）向管芯（Diode）及器件（Device or Components）轉變并最終實現照明應用產品，是LED產品作為半導體照明光源真正進入市場并取代傳統照明光源的直接環節。

由于發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業也受到了高性能輔料等外國專利或產品的制約。相比于上游由于在芯片外研、原材料、生長設備等方面先發技術及核心知識產權缺失并受外國技術封鎖，中下游的自主創新及專利申請情況則與國外處于同一起跑線。由于我國作為傳統照明產品輸出大國以及相關產業集中的先天特點，在LED封裝及應用領域的產業規模處于國際領先水平。據統計，我國LED照明應用產品的產量占全球60 %以上，業已成為LED照明產品的全球制造基地。

但作為LED產業中下游，一方面仍然受上游及材料領域國外核心產品及專利限制，另一方面企業規模偏小，產業集中度低，重復低水平投資建設現象也較為嚴重，市場競爭無序。同時，相關行業標準、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，必須要堅持技術創新，突破國外專利封鎖，加強新技術、新材料、新產品開發，培育具有自主知識產權和較強競爭力的核心產品，優化產業結構，建立以市場需求為導向、以行業龍頭企業為骨干的LED產業，加強產業發展宏觀指導，形成有利于產業發展的政策及配套環境，充分發揮市場配置資源的基礎作用，規范市場競爭行為，實現我國LED照明產品質量達到國際先進水平，真正實現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，更強調光學、熱學方面的設計創新和技術要求。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、光學優化，通過涂敷熒光粉實現光譜，提高出光效率同時優化并實現特定出光分布；4、電學管理，優化并完成多芯片串并連，甚至實現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光，因而其本質上有別于傳統照明工具，屬于冷光源，并且器件的發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，是充分體現半導體照明高效、節能優勢的必要條件，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性能不斷優化，導致封裝器件失效的主要原因已經從芯片本身轉變為由于封裝材料的老化、腐蝕、斷裂等因素，因此對于封裝材料提出了更高要求。最后，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，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。而作為具體的應用方案，也要求人們提出更好、更優、更具有創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集成封裝技術的探索和開發

LED封裝格式直接影響LED器件及下游產品的性能。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，也令傳統平面式電氣互聯封裝方案面臨窘境。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、系統化要求也越來越高，功能化要求日益突出。

借鑒傳統IT行業封裝概念，已有包括倒裝LED、垂直結構LED等封裝方案為行業采用，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的外延襯底或采用導電材料作為外延襯底，并可以實現大面積金屬共晶焊技術增加導熱通道面積，因此具有最優異的散熱性能，但受限于透明電極材料并且其成本也是最高。

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到今天，有了長足進步，并在制造復雜結構零件、藝術創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有了商業化應用，但從進行工業化大批量生產的角度而言，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、制備速度和生產效率等。可以說直接實現基于三維打印的封裝技術，對于LED產業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。

作為最為成熟并有望應用于實際工業生產的三維打印技術，基于納米導電材料的三維電極打印技術在實現復雜多層曲面線路制備方面已經在某些電子工業中開始探索并得到應用。相比與傳統電子線路制備方法，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、節約成本，更能通過計算機輔助實現設計、修改、制備的快速實現。而利用快速自固化打印材料，可以實現懸空電路，甚至實現傳統鍵合金線相同功能但無法實現且更為復雜、性能更優的立體電路。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，克服傳統鍵合金線機械性能缺陷，也彌補傳統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，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的控制方法和參數。實現室溫適用、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據庫、混合材料性能數據庫。

高精度打印系統。包括高精度定位平移系統、高精度打印噴頭、高精度反饋伺服系統，實現微米級加工精度、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、建模的輔助系統有助于實現更有效的三維打印電路制備，或進行伺服反饋。

多噴頭聯動技術。目前三維打印的重要瓶頸是打印速率導致的生產效率相對較低。基于多噴頭聯動的三維打印技術，是提高三維打印速率特別是大面積產品上生產效率較為理想的解決方案之一。實現多噴頭聯動，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，規劃好機械系統的運動伺服動作以及反饋控制。設計并探索合理的并行聯動方案或流水聯動方案，需要在高精度打印系統的基礎上，進一步探索并實現高精度、多噴頭打印技術，并制備打印系統。

從長遠來看，加快針對三維封裝的封裝結構、封裝材料以及系統化集成方案的探索和研究，減少或實現無鍵合金線的封裝方法，采用類似集成電路的封裝概念，有助于實現更優良的器件散熱能力，解決電、熱傳輸矛盾，實現更小封裝尺寸，并有望實現多功能系統級封裝（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、長壽命熒光粉開發及其涂覆技術研究

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）公司已經實現了276 lm/W的實驗室芯片效率，其量產瓦級芯片的效率也以達到200 lm/W以上水平，遠遠超過了傳統光源的發光效率。作為不可或缺的部分，高效熒光粉成為實現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，對我國熒光粉產業的自主化也產生了較強的技術壁壘。

為克服YAG熒光粉的不足，實現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出來。如基于硅酸鹽的熒光粉，可以實現更寬的激發譜、更豐富的熒光范圍，并可通過改變或調整摻雜元素實現較好的激發效率，也可滿足不同色溫需求，但其發光效率、熱穩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光譜特性( 激發范圍紫外至藍光) 以及優異的發光特性( 發射綠光至紅光) ，且耐溫特性和化學穩定性均優于鋁酸鹽黃粉，受到了白光LED 業界的極大關注。雖然日本國家材料研究所最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，也可以實現較高效率熒光粉方案，并且該技術從原理上可以實現完整的熒光光譜和逐步調節，并有望比傳統熒光粉技術實現更低的成本。但基于量子點的熒光粉技術距離產業化仍有距離，其耐熱性及穩定性仍需進一步提高。

據GG-LED統計，我國2012年熒光粉市場除英特美、日本根本化學等外企公司仍局前兩名并占據較高市場占有率外，以有研稀土等為代表的國內熒光粉企業在高性價比熒光粉產品及產能上增長迅速，自主知識產權方面也有較大突破。

LED燈具的壽命除了由于電氣失效導致的壽命終結之外，因為熒光粉失效引起光衰而導致的失效也是重要因素。相比與LED本身，熒光粉的耐熱性更差，因此探索更高熱穩定性熒光粉技術，或開發新型熒光粉涂敷技術（如遠程熒光粉，remote phosphor），是除了開發高效熒光粉之外，同樣重要的研究課題。

遠程熒光粉方案，通過將熒光粉與芯片分離，降低了熒光粉工作環境溫度，極大地提升了熒光粉穩定性，延長了使用壽命，同時令許多新型熒光粉的應用成為可能，并提供了如多層涂敷、分層分色涂敷等新的熒光粉涂敷技術的發揮空間，有望徹底解決LED眩光問題，提升LED光源品質。

實現高效、高質量半導體照明方案特別是低色溫、高顯色指數照明方案，已經成為LED照明應用中亟待解決的關鍵因素，也是LED照明除降低成本之外最迫切的市場需求之一。因此進一步開發高光效黃光熒光粉技術，研究并探索紅光和綠光熒光粉方案，取得自主知識產權，打破國外在該領域的專利和市場壟斷地位，同時開發新型低成本制備工藝，改善其熒光粉粒度、形貌及發光性能，滿足大功率、高光效、低光衰、長壽命半導體照明技術發展需要，是我國LED產業需要解決的重要課題。

2.5. 新型、高性能、低成本封裝散熱材料開發

影響LED器件散熱的因素包括芯片結構、熱界面材料（thermal interface material，TIM）、散熱基板材料、封裝結構等。要提高LED器件散熱性能，除芯片本身及封裝結構降低器件熱阻，就必須開發具有高熱導率的封裝用散熱材料，同時探索低成本開發及制備工藝。

2.5.1. 熱界面材料

LED封裝應用的熱界面材料主要包括導熱膠、導電銀膠、金屬焊膏等。這些材料主要應用與封裝中材料粘接、電路導通或提升器件機械性能。導熱膠通常采用環氧樹脂或有機硅作為主要成分，填充以SiC、AlN、Al2O3、SiO2等無機物以提高熱導率，導熱性能最差。而導電銀膠則通常采用微米或納米銀粉填充入環氧樹脂形成具有導熱、導電及粘結性能的復合材料，但其導熱性能差于共晶焊技術。金屬焊膏則通常應用與絲網印刷和回流工藝，成本低、強度高、導熱和導電性能好，在微電子和光電子器件封裝中具有廣泛應用。

隨著LED功率密度和封裝集成度的提高，需要具有更高熱導效率的新型熱界面材料，以提升散熱能力，確保器件性能。新型復合材料技術如石墨烯、碳納米管、納米銀線進行復合，或利用無機官能團進行修飾的有機硅等有望成為突破LED封裝熱阻限制的新型熱界面材料技術。

對于大功率ＬＥＤ封裝而言，理想的熱界面材料除了具有高熱導率（降低熱阻）外，還要求具有與芯片襯底材料相匹配的熱膨脹系數和彈性模量（降低界面熱應力），同時還要有機械性能好、使用溫度高、材料和工藝成本低等要求。

2.5.2. 導熱基板

LED封裝用導熱基板主要是利用其材料本身具有的高熱導率，將熱量從LED芯片導出，實現與外界的電互連與熱交換。目前常用的LED封裝基板主要包括印刷電路板（printed circuit board，PCB）、金屬基印刷電路板（metal core printed circuit board，MCPCB）、直接鍵合銅（direct bonded copper，DBC）基板、低溫共燒陶瓷（low temperature co-fired ceramic，LTCC）基板、直接鍍銅（direct plating copper，DPC）基板、陽極氧化鋁（anodic aluminum oxide，AAO）基板、硅基板等。

A) 印刷電路板

PCB技術已經較為成熟，成本較低，但由于PCB主材料熱導率很低，難以滿足大功率LED散熱要求，因此開發具有垂直結構散熱通道的新型PCB技術是令PCB適應大功率應用的必然趨勢。

B）金屬基印刷電路板

又稱絕緣金屬（insulated metal substrate，IMS）基板，是一種由金屬（鋁）板、有機絕緣層和銅箔組成的三明治結構。主要改進集中在采用高導熱、高耐熱材料，如高導熱陶瓷、類金剛石（diamond-like carbon，DLC）涂層等取代有機絕緣層，從而大幅提高了其熱導率和耐熱性。

C）直接鍵合銅基板

直接鍵合銅基板是一種高導熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板（Al2O3或AlN）和導電層（厚度大于0.1 mm的Cu層）在高溫下（1065 ℃）共晶燒結而成，最后根據布線要求，以刻蝕方式形成線路。由于銅箔具有良好的導電、導熱能力，并具有近似氧化鋁的熱膨脹系數，能在具有導熱性好、絕緣性強的同時，與LED藍寶石（Al2O3單晶）襯底具有非常近似的熱膨脹系數，從而提高封裝可靠性。其不足主要體現在兩個方面：制作復雜成本高、Cu層厚度大電路精度受限。

D）低溫共燒陶瓷基板

LTCC技術須先將氧化鋁粉、玻璃粉與有機粘結劑混合成膏狀漿料，接著利用刮刀將漿料刮成片狀，干燥后形成片狀生胚，然后根據設計進行通孔，通過絲網印刷工藝填孔并在生胚上印制線路，最后將生胚片堆疊放置，在高溫（850~900 ℃）下燒結成型。由于結構簡單，熱界面少，大大提高了散熱性能。但其主要問題在于內部金屬線路層是利用絲網印刷工藝制成，有可能因張網問題造成對位誤差；此外，多層生胚疊壓燒結后，還會存在收縮比例差異問題。

E）直接鍍銅基板

DPC基板制作首先將陶瓷基板進行前處理清洗，利用真空鍍膜方式在陶瓷基板上濺鍍銅作為種子層，接著以光刻、顯影、刻蝕工藝完成線路制作，最后再以電鍍或蒸鍍方式增加線路厚度，待光刻膠去除后完成基板制作。由于其制備工藝溫度僅需250~300 ℃左右，完全避免了高溫對材料破壞或尺寸變形的影響，具有熱導率高、工藝溫度低、成本低、線路精細、可靠性高等優點，非常適合對準精確要求較高的大功率LED封裝要求。特別是采用激光打孔技術后，可實現大功率LED的垂直封裝，降低器件體積，提高封裝集成度。

F）陽極氧化鋁板

由于熱電分離的需要，金屬鋁板難以滿足LED封裝要求。為使其表面絕緣，往往需要通過陽極氧化處理，使其表面形成薄絕緣層。陽極氧化鋁基板制作工藝簡單，成本低，熱導率較高，耐高溫，耐熱沖擊性能好。缺點在于陽極氧化層強度不足，容易因碎裂而導通，使其在實際應用中受限。

G）硅基板

半導體硅材料具有熱導率高、與LED芯片材料熱失配小，加工技術成熟等優點，非常適合作為大功率LED的散熱基板。特別是隨著IT工業系統級封裝和三維封裝技術的發展，采用穿孔硅（through silicon vias，TSV）基板技術封裝LED可大大提高器件的集成度與散熱能力。但作為一種半導體材料，當溫度升高時，硅電阻率降低，在作為基板應用時會受到一定限制。

對于大功率LED封裝應用而言，散熱基板除具備基本的導熱和布線（電氣互連）功能外，還要求具有一定的絕緣、耐熱、耐壓能力與熱匹配性能。在各類方案中，基于透明陶瓷材料技術，結合相關電氣互聯技術，不僅可以實現散熱效率高、熱膨脹系數匹配、電氣互聯便捷、靜電防護優異等具有高效熱學、電學性能的高性能散熱基板，同時還有望在封裝器件的光學性能上得到突破，實現全空間發光LED封裝器件并極大提升器件的流明效率。如能實現低成本制備，必將極大推動其技術應用范圍。

2.6. 高性能有機硅、環氧樹脂等封裝材料與相關工藝開發

LED封裝中，通常利用環氧樹脂、有機硅的材料灌裝入裝有LED芯片、電氣線路的封裝器件內，在常溫或加熱的條件下固化成具有高透過率、高折射率、高耐候性、耐紫外輻射的熱固性絕緣材料，強化LED芯片的物理性能，提高抗沖擊、震動能力，同時，提高內部電氣絕緣性能，并改善器件防水、防潮性能。目前主要的封裝材料包括環氧樹脂、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃、有機硅等高透明材料。其中環氧樹脂和有機硅主要作為封裝材料，并實現一次封裝透鏡作用以改善芯片發光特性；而其余材料則作為外層透鏡材料使用。

2.6.1. 環氧樹脂材料

環氧樹脂具有優異的粘結性、電絕緣性、密封性和介電性能，同時成本較低、配方靈活、易于成型、便于生產。但同時，環氧材料也存在易老化、變色、性脆等問題。因此出于提高光穩定性、改善耐熱性、增加韌性、提高折射率等目的，改性環氧材料應運而生。如通過加入光穩定劑以提升環氧耐紫外光老化性能；采用耐高溫官能團以提升環氧材料的耐熱性；引入聚醚鏈段或橡膠成分增強環氧韌性；引入硫醚鍵、硫脂鍵、環硫官能團等提升環氧折射率等。基于分子層面的有機/無機特定官能團添加是上述技術的基本策略。

2.6.2. 有機硅材料

有機硅的主鏈為硅氧鏈，側基為甲基，整個分子鏈呈螺旋狀，具有許多優異性能，如：良好的耐低溫性能、較高的熱穩定性和耐候性，低表面能和良好的疏水性能，良好聚合體滲透性能等。因此有機硅材料透過率高、溫度適應范圍廣、耐紫外光性強、內應力小、吸濕性低，性能較環氧更為優異，是LED封裝材料的理想選擇。特別是隨著無鉛高溫回流工藝的出現與發展，有機硅封裝材料得到了更多關注。

LED封裝用有機硅材料一般由含活潑氫的硅氧烷單體或聚合物與帶不飽和鍵的有機硅聚合物，在催化劑作用下進行硅氫加成反應制備得到。但有機硅材料的折射率相比與環氧材料要低，且存在耐腐蝕性差、粘結強度低、力學性能差，生產成本也較高。隨著LED用途多樣化，對有機硅封裝材料提出了更多要求。改性有機硅材料通過選擇具有一定活性鏈節的基礎聚合物或者加入高性能填料來改善有機硅材料性能。如通過選擇含二苯基硅氧鏈節或甲基苯基硅氧連接的乙烯基硅樹脂和含氫硅油來植被喲級硅材料，可獲得較好耐冷熱沖擊性能；通過采用納米無機氧化物溶膠與有機硅聚合體系復合，形成分子層面無相分離的奈米無機氧化物改性有機硅材料，可以提高折射率和耐紫外輻射性能。

2.7. LED 封裝及集成系統的加速測試技術

開發LED 封裝及集成系統的加速測試技術，有助于實現實時、快速、在線的封裝檢測方法及產品檢驗方法，驗證封裝技術效果同時提升產品良品率，有助于降低產品成本、提升LED產品性價比。

2.8. 小結

LED封裝技術應圍繞更高性能的新型三維封裝結構設計，圍繞熒光粉、導熱膠、散熱基板、封裝樹脂以及其他關鍵封裝材料的開發，著重解決器件光衰及穩定性問題，積極開拓新的封裝設計思路，突破傳統封裝瓶頸，保持半導體照明高光效優勢的同時，滿足高品質照明需求，開發出高性價比的LED封裝產品。

3. 應用

3.1. 概述

LED技術發展到今天，已經室內照明、戶外照明、商業照明、交通指示、建筑外景裝飾等照明領域到了廣泛應用，在背光源以及戶外顯示等方面更是顯示了優異性能并占據了統治地位。針對影視舞臺/劇場等演藝場所、航空/航天/極地等特殊環境以及汽車、礦山、船舶等特定照明需求，半導體照明也顯示了強大的應用潛力。此外，由于LED光譜的特殊性，在醫學治療、植物培育、畜牧及水產品養殖等生物應用方面也開展了大量的應用研究。而由于LED光源的高頻響應特性，基于半導體照明的可見光載波通信技術也開始受人關注。可以說隨著半導體照明技術的愈發成熟，其應用領域也日益廣泛和細致，除了產品壽命、穩定性及成本之外，考慮照明系統的功能性、系統集成性、環境適應性以及光源照明質量等更多要求也隨之提出。

半導體照明在應用中，除LED光源之外，還涉及到驅動電源、散熱系統、光學系統、控制系統、產品外觀等諸多因素。特別是LED與傳統光源在發光機理及發光特性上的不同，使得如何充分利用LED光源優勢、保證產品品質、同時滿足人們傳統審美觀點使得半導體照明應用成為一門集電學、光學、熱學、材料學以及美學等諸多學科在內的綜合課題。

3.2. 高效、低成本、高可靠性驅動電源技術

LED的發光原理是基于半導體能帶復合電致發光，屬于直流低壓電流器件。因此，在半導體照明應用中，需要首先解決驅動電源問題。隨著LED芯片及封裝技術的發展，LED的發光效率不斷突破，耐電流沖擊能力不斷提高，抗靜電防護能力也得到了加強；另一方面新散熱材料的應用和新散熱技術的發展，有效控制了LED芯片溫升和光衰問題。在這樣情況下，LED驅動電源特別是大功率驅動電源成為影響LED燈具壽命的主要因素，并且成為僅次于LED芯片的燈具成本構成。

高效、低成本、高可靠的LED 驅動電源開發將會成為未來半導體照明驅動電源技術的核心基石。在此基礎上，探索驅動電源產品的模塊化、標準化，開發具有高集成度、高智能化電源及控制技術，有助于進一步提升LED驅動電源品質。無電解LED驅動電源、小功率低成本驅動芯片、交流直接驅動LED電源、全固態大容量電容以及基于用戶需求的智能電源技術有望成為未來LED驅動電源技術的突破口。

3.3. 新型、高效燈具熱管理技術

LED燈具熱管理的核心思想是將LED器件及驅動電源在工作時的產生地熱量盡快導出并散發至環境中。開發具有高熱導率的散熱材料如新型塑料、陶瓷、石墨、金屬、導熱膠、散熱涂層等燈具輔材，開發并設計具有高效散熱能力的新型燈具結構是降低LED燈具熱阻的關鍵因素。

除開發高性能散熱材料、提升材料散熱性能外，LED燈具散熱技術還可以根據與外接換熱方式分為被動散熱和主動散熱。被動散熱方式主要有自然對流散熱和熱管技術散熱兩種。自然對流散熱是指在LED 燈具上加裝各種散熱片借助自然對流進行冷卻的一種基本散熱方式。其優點是成本低、運行可靠，也是應用最為廣泛的LED燈具散熱方式，但較難滿足大功率密度LED燈具的散熱需求。而借助熱管對LED 裝置進行冷卻越來越受到人們的關注，成為大功率LED 照明光源散熱技術的熱點。熱管又分為平板熱管、回路熱管、翅片式熱管、微型熱管等多種形式，其導熱能力可達普通金屬的1000倍以上。但成本可能成為制約熱管技術應用的重要因素。

LED照明的主動散熱是指消耗一定量的電能，采用風扇、泵等驅動散熱介質受迫流過LED 照明設備或采用半導體制冷等方法對LED光源進行冷卻的技術，并將熱量帶至散熱模塊進行外界熱交換。相比被動散熱，主動冷卻技術具有冷卻強度高、冷卻效果好的優點，特別適用于高功率密度或超大型LED 照明裝置的冷卻。但其成本及散熱系統的壽命是制約其應用的主要因素。

基于室內、室外等不同照明環境以及特定照明用途導致的在燈具功率、體積、材質等諸多方面的制約，LED照明燈具的熱管理需要因地因需制宜進行專業設計，并綜合材料創新、結構創新進行優化設計。此外，照明功能模塊化并結合智能控制技術，也可以幫助LED燈具在散熱性能上進行一定優化。

3.4. 面向擴展光源的高效二次配光技術

LED芯片面積小、光通量大、半空間出光的發光特性使得采用LED芯片直接進行照明應用存在光能利用不合理的問題，降低了LED燈具的能量利用效率。因而，在芯片基礎上進行燈具的二次配光成為改善LED光源光學性能、提高能量利用率的常規方案，特別是基于點光源（point source）非成像光學（non-image optics）配光設計的自由曲面二次配光方案已經在點陣式LED燈具中得到了廣泛應用，并出現了很多成熟的技術方案和豐富的應用實例。盡管仍存在諸如二次配光元件缺乏對LED芯片的通配性、配光區域邊緣色差等問題，但二次配光技術已在事實上成為LED燈具照明質量的重要保障。

隨著LED芯片的大功率、高光通量的發展趨勢，LED芯片的集成度越來越高，面積也越來越大，二次配光尚缺乏面向具有上述特征、擴展光源（extend source）型LED芯片的高效光學系統設計方案。另一方面，醫學內窺鏡、微型投影儀等應用領域，光學系統的尺寸受到極大限制，基于點光源方案的二次配光方案也難以滿足，同樣需要有更高效的光學系統設計方案出現。

此外，隨著半導體照明領域的日益廣泛以及具體應用需求的細分化，如汽車前照燈、超遠距離LED探照燈、醫用內窺鏡LED光源、高效LED面光源等特定用途LED照明燈具的出現，也對LED光源及燈具的配光技術提出了更多更細的要求。

3.5. 應用新需求

LED照明燈具的應用領域愈發廣泛，功能化、系統化、智能化的趨勢也愈發明顯，這對LED燈具除電、光、熱等方面的性能之外，提出了更多新要求。如在室外照明應用中的防水、防塵、防電壓沖擊、防紫外老化、防腐蝕等性能；在航海船舶等環境的防震、防鹽霧等性能；面向環境適應性及用戶適應性的智能化感知器件集成性能；具有前瞻性、通用性、低成本高可靠性的可見光載波通信性能；色溫實時、動態控制性能等。而面向現代農業、養殖、醫療、文物保護、微投影與微顯示等特種照明應用需求以及極端惡劣環境照明應用的LED燈具也將已經成為半導體照明應用的重要組成部分。

在高品質燈具的基礎上，隨著半導體照明工程的推廣，作為可以實現實時調控的LED光源，其集群照明或系統照明優化及智能控制技術也被提到行業技術需求的日程表上來。如集群應用技術與可變色溫的模組化LED 照明系統；自適應照明強度自動配置技術；節能管理與維護管理系統集成技術研究；照明系統網絡拓撲及網絡性能優化技術；智能化照明控制系統的控制協議與標準；基于物聯網、互聯網或云技術，實現照明系統管理等等都是進一步發揮LED光源特點，展現半導體照明節能、高照明質量優勢的重要手段，也是進一步推動半導體照明應用、優化半導體照明工程節能需求的重要技術保障。

基于三基色LED的主動顯示技術也是LED重要應用領域，并在戶外照明、舞臺背景等大屏幕顯示市場占據了統治地位。基于現有LED顯示技術，開發更低功耗、更高產品穩定性、更高分辨率的LED顯示產品，需要在LED芯片、管芯封裝、顯示驅動、散熱模塊、顯示一致性以及單像素點維護等諸多方面進一步開發適合LED顯示特性的技術及產品方案。采用藍光激發三基色的熒光粉技術，也有望給LED顯示技術帶來新的可能。

除此之外，基于高功率半導體照明產品光輻射安全研究、半導體照明光源及燈具耐候性和可靠性研究、半導體照明燈具在線檢測方法及設備研究、加速檢測設備及檢測標準研究、半導體照明產品和照明系統檢測技術和設備的研究及開發；照明控制設備的檢測技術研究與設備開發、具有公信力的第三方半導體照明產品檢測與質量認證平臺建設等內容也成為半導體照明在應用領域需要迫切解決的問題。

3.6. 小結

隨著半導體照明廣泛應用，開發高效、低成本、替代型半導體照明光源技術，發揮LED高品質光源、多功能兼容優點，積極開發針對現代照明的調光控制和驅動技術，將成為 LED光源應用的重要研究課題。針對不同應用場合，開發具有明確功能化需求的LED照明燈具，需要結合光、電、熱、機械、材料以及結構等諸多技術創新，是一個復雜的系統工程。遠程熒光粉、大功率MCOB集成芯片等新技術的成熟和發展也會對LED燈具應用技術提出更多新的挑戰。

4. 展望

我國LED照明應用行業在積極發展增強自身經濟實力，完善行業標準、規范行業行為的同時，必須更加注重和加強針對技術創新的投入以及相應知識產權的保護。只有提高技術創新能力，才能提升LED照明產品品質，實現高質量、高效能、高可靠性、長壽命半導體照明，從而進一步提高LED照明產品性價比、增強市場競爭力，使得包括采用能源管理合同（energy management contract, EMC）模式在內的半導體照明工程的得以真正、更為廣泛的實施和應用。

需要提到的是，除了基于GaN基藍光LED的半導體照明技術外，有機半導體照明光源（OLED）技術，在柔性、可彎曲以及大面積制備方面具有較多優勢，在特定應用場合具有充分潛力。但OLED技術仍未達到可以大規模進入市場的程度，仍需進一步提高其發光效率、延長器件壽命并降低器件成本，其產業也未具規模。

此外，LED器件具有低壓直流工作的特性，因此與包括太陽能光伏在內的新型清潔能源結合具有天然優勢。事實上，太陽能LED燈具在路燈、草坪燈、野營探險燈具等室外照明產品中已經有了廣泛應用，其技術瓶頸也多集中在非LED產品及技術上，如進一步提升光伏板效率、延長儲能系統壽命、降低光伏及儲能組件重量等。但作為較其他傳統光源更具有優勢的應用場合，太陽能LED燈具在未來室外照明應用以及應急照明應用中將會有獨特不可替代的作用。積極開發此類LED燈具，完善技術方案，甚至開發太陽能光伏與LED集成的芯片或封裝技術，有助于豐富LED產品類型，拓展半導體照明應用領域。

半導體照明技術發展到今天，已經為世人展示了一個廣闊應用空間，在諸多領域已經形成了不可替代的重要地位。相比于其他傳統光源，半導體照明光源在流明效率、器件壽命、節能環保等方面的優勢無與倫比，在應用領域、燈具設計及藝術造型方面也給予我們充分的想象空間和足夠的發揮舞臺。而最為關鍵的是，其技術仍未到達瓶頸，并有足夠的發展和進步潛力。相信隨著LED芯片技術、封裝技術以及應用技術的日益提升，半導體照明普及的明天必將到來！