随着近年来LED在照明领域中应用的逐渐增多,对LED高亮度、高功率的要求也越来越高——高功率、高集成度的发展趋势给封装带来了越来越大的挑战。如果散热不畅,聚集的热量会引起LED (Light Emitting Diode)芯片结温上升,而结温过高会引起波长红移造成LED发光的均匀性变差、引起半导体材料和荧光粉的发光效率下降甚至造成LED芯片烧毁失效。所以,高可靠性的先进封装散热技术,是解决大功率LED照明散热挑战的核心。针对大功率LED器件及光源模组封装难题,本文的研究主要分为两个层面进行：(一)针对散热难题,以降低结温、提高可靠性为目的,系统开展了大功率LED低热阻封装技术及可靠性研究；(二)针对COB (Chip on Board)多芯片集成封装的发展趋势,以RGB多芯片LED集成封装模组为例,系统开展了RGB多芯片集成封装模组的设计研究。主要研究结果如下：第一、基于COB多芯片集成封装技术,设计并制作了高导热、低成本的氮化铝(A1N)陶瓷与LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic)叠层基板(简称A1N/LTCC叠层基板),并实现了与大功率LED的多芯片集成封装应用。并以常用基板如铝基板、氧化铝基板封装的LED模块作为对比模型,实验表明采用A1N/LTCC叠层基板封装的大功率LED器件的热阻(17.16℃/W)较低,热阻分别比铝基基板、氧化铝基基板封装的LED器件热阻(38.08℃/W、28.7℃/W)低54.9%、40.2%。基于A1N/LTCC叠层基板的LED集成封装模组有较好的光学表现,当输入电流超过2.5 A的情况下,A1N/LTCC叠层基板封装模块出光光通量仍然增长,而两种对比模型的出光光通量停止增长并开始下降。热学仿真分析进一步证实了A1N/LTCC叠层基板封装LED器件结温低于铝基、氧化铝基基板封装的大功率LED器件结温(分别低18.6%、12.9%)。上述结果表明：A1N/LTCC叠层陶瓷基板封装是一种有效实现大功率LED低热阻封装的新型低成本陶瓷封装技术。第二、基于不同表面材质的封装基板与三种LED固晶材料,设计了多组LED器件光热性能对比实验和多种加速老化可靠性实验,系统研究了不同固晶材料(金锡、锡膏、银胶)应用于大功率LED器件封装后的LED光热特性、可靠性。研究结果发现共晶焊互连技术可以有效降低大功率LED器件热阻,LED器件可靠性与固晶材料和封装基板材料表面材质的组合密切相关：1)共晶互连的大功率LED器件具有较低的热阻,金锡、锡膏共晶互连器件热阻(未老化)分别比银胶互连的大功率LED器件低14.3%、17.3%；2)封装基板表面材质与固晶材料的组合特性显著影响大功率LED器件可靠性：采用表面镀银基板的锡膏、金锡、银胶互连的大功率LED器件,经过电流(450 mA)、温度(55℃)2580 h老化后,金锡、锡膏互连的大功率LED器件光通量维持率分别为75.4%,78.9%,相对于银胶互连的大功率LED器件(93.6%)光衰较大。采用表面镀金基板的锡膏、金锡、银胶互连的大功率LED器件,经过85℃/85H、1100 h加速可靠性实验后,在出光方面,银胶、锡膏、金锡互连的大功率LED光通量维持率分别为97%,96%,97%,几乎无衰减。在结温温升变化方面,银胶、锡膏互连的大功率LED器件稳态结温温升(结温-室温)分别升高了6.6%、9.6%(相对于老化前),而金锡互连的大功率LED结温温升基本没变(0.4%),上述结果表明镀银基板比较适合银胶互连应用,而表面镀金基板适合金锡互连LED器件。第三、基于共晶互连LED芯片的陶瓷覆铜基板封装结构模型,分别通过理论计算、实验测试的手段研究了空洞对LED热阻、共晶压力对LED器件光电性能的影响。研究发现：1)随着空洞率的增加,LED封装热阻呈明显的上升趋势,而且在计算模型中扩展热阻占总热阻的80%,是LED热阻设计中不可忽视的一部分；2)共晶压力可以有效的降低LED结温,金锡共晶互连层界面形成了金属间化合物(Au,Ni)3Sn2o理论计算结果表明当空洞率从19%上升到51%时,粘结层本身的热阻相对增加率为65%(0.07℃/W),扩展热阻增加率为25%(0.453℃/W)。实验中共晶压力从0逐渐增加到15g后,结温降低幅度达7%；继续增大压力后个别LED芯片表面扩散电极边缘会有裂痕产生。扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)测试分析表明金锡共晶互连层界面形成了金属间化合物(Au,Ni)3Sn2,该金属间化合物是互连层牢固结合的基础。第四、针对COB多芯片集成模块的发展趋势,以RGB多芯片LED集成封装设计方法和数据库建设为例,系统开展了RGB多芯片集成封装模组设计的研究。研究发现：RGB多芯片之间的布局不仅会影响模块的最高结温,而且会影响到模块整体出光均匀性。热学软件、光学软件的模拟仿真结果表明RGB芯片之间的布局,不仅会影响LED的结温,还会影响到白光显色指数、照度均匀性、色温等光学参数；基于理论指导设计制作的RGB模块,实现了2300 K到7000 K动态色温白光,另外通过实验测试的色坐标、其显色指数、色温均与理论计算相符。本文通过高导热低成本氮化铝LTCC陶瓷叠层基板的设计与制作、基于不同表面镀层封装基板的低热阻金属共晶互连及其可靠性、金属共晶互连界面微观特性及对空洞的抑制、RGB多芯片集成封装模组设计的研究。从低热阻、出光两个方面对大功率LED封装进行了研究,表明以上先进封装互连技术有利于提高大功率LED寿命可靠性,对早日实现大功率LED在照明领域的广泛应用具有重要的指导作用。