高亮度LED发光二极管之封裝光通原理技術探析

　　 　　 　　现在是光的时代，也即将是LED发光二极管的时代，我们都需要生活在一个明亮的环境下，毫無疑問的，這個世界需要高亮度發光二極管（HighBrightnessLight-EmittingDiode；HBLED），不僅是高亮度的白光LED（HBWLED），也包括高亮度的各色LED，且從現在起的未來更是積極努力與需要超高亮度的LED（UltraHighBrightnessLED，簡稱：UHDLED）。 　　 　　用LED背光取代手持裝置原有的EL背光、CCFL背光，不僅電路設計更簡潔容易，且有較高的外力抗受性。用LED背光取代液晶電視原有的CCFL背光，不僅更環保而且顯示更逼真亮麗。用led照明取代白光燈、鹵素燈等照明，不僅更光亮省電，使用也更長效，且點亮反應更快，用於煞車燈時能減少後車追撞率。 　　 　　所以，LED從過去只能用在電子裝置的狀態指示燈，進步到成為液晶顯示的背光，再擴展到電子照明及公眾顯示，如車用燈、交通號誌燈、看板訊息跑馬燈、大型影視牆，甚至是投影機內的照明等，其應用仍在持續延伸。 　　 　　更重要的是，LED的亮度效率就如同摩爾定律（Moore''sLaw）一樣，每24個月提升一倍，過去認為白光LED只能用來取代過於耗電的白熾燈、鹵素燈，即發光效率在10∼30lm/W內的層次，然而在白光LED突破60lm/W甚至達100lm/W後，就連螢光燈、高壓氣體放電燈等也開始感受到威脅。 　　 　　雖然LED持續增強亮度及發光效率，但除了最核心的螢光質、混光等專利技術外，對封裝來說也將是愈來愈大的挑戰，且是雙重難題的挑戰，一方面封裝必須讓LED有最大的取光率、最高的光通量，使光折損降至最低，同時還要注重光的發散角度、光均性、與導光板的搭配性。 　　 　　另一方面，封裝必須讓LED有最佳的散熱性，特別是HB（高亮度）幾乎意味著HP（HighPower，高功率、高用電），進出LED的電流值持續在增大，倘若不能良善散熱，則不僅會使LED的亮度減弱，還會縮短LED的使用壽命。 　　 　　所以，持續追求高亮度的LED，其使用的封裝技術若沒有對應的強化提升，那麼高亮度表現也會因此打折，因此本文將針對HBLED的封裝技術進行更多討論，包括光通方面的討論，也包括熱導方面的討論。 　　 　　附註：大陸方面稱為「發光二極管」。 　　 　　附註：一般而言，HBLED多指8lm/W（每瓦8流明）以上的發光效率。 　　 　　附註：一般而言，HPLED多指用電1W（瓦）以上，功耗瓦數以順向導通電壓乘以順向導通電流（Vf×If，f＝forward）求得。 　　 　　雖然本文主要在談論LED封裝對光通量的強化，但在此也不得不先說明更深層核心的裸晶部分，畢竟裸晶結構的改善也能使光通量大幅提升。 　　 　　首先是強化光轉效率，這也是最根源之道，現有LED的每瓦用電中，僅有15％∼20％被轉化成光能，其餘都被轉化成熱能並消散掉（廢熱），而提升此一轉換效率的重點就在p-n接面（p-njunction）上，p-n接面是LED主要的發光發熱位置，透過p-n接面的結構設計改變可提升轉化效率。 　　 　　量子井（QuantumWell；QW）的結構圖。 　　 　　關於此，目前多是在p-n接面上開鑿量子井（QuantumWell；QW），以此來提升用電轉換成光能的比例，更進一步的也將朝更多的開鑿數來努力，即是多量子井（MultipleQuantumWell；MQW）技術。 　　 　　裸晶層：「換料改構、光透光折」拉高「出光效率」 　　 　　如果光轉效率難再要求，進一步的就必須從出光效率的層面下手，此層面的作法相當多，依據不同的化合材料也有不同，目前HBLED較常使用的兩種化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN，前者用來產生高亮度的橘紅、橙、黃、綠光，後者GaN用來產生綠、翠綠、藍光，以及用InGaN產生近紫外線、藍綠、藍光。 　　 　　至於作法有哪些？這包括改變實體幾何結構（橫向轉成垂直）、換用基板（substrate，也稱：襯底）的材料、加入新的材料層、改變材料層的接合方式、不同的材料表面處理等。不過，無論如何變化，大體都不脫兩個要則：一、降低遮蔽、增加光透率。二、強化光折射、反射的利用率。 　　 　　舉例來說，過去AlGaInP的LED，其基板所用的材料為GaAs，然黑色表面的GaAs使p-n接面散發出的光有一半被遮擋吸收，造成光能的浪費，因此改用透明的GaP材料來做基板。又如日本日亞化學工業（Nichia）在GaN的LED中，將p型電極（ptype）部分做成網紋狀（MeshPattern），以此來增加p極的透明度，減少光阻礙同時提升光透量。 　　 　　至於增加折反射上，在AlGaInP的結構中增加一層DBR（DistributedBraggReflector）反射層，將另一邊的光源折向同一邊。GaN方面則將基板材料換成藍寶石（Sapphire，Al2O3，三氧化二鋁）來增加反射，同時將基板表面設計成凹凸紋狀，藉此增加光反射後的散射角度，進而使取光率提升。或如德國歐司朗（OSRAM）使用SiC材料的基板，並將基板設計成斜面，也有助於增加反射，或加入銀質、鋁質的金屬鏡射層。 　　 　　亮度提升的LED已經跨足到公眾場合的號誌應用，此為國內工地外圍的交通方向指示燈，即是用HBLED所組構成。 　　 　　附註：AlGaInP（磷化鋁鎵銦）也稱為「四元發光材料」，即是以Al、Ga、In、P四種元素化合而成。 　　 　　附註：在一般的圖形結構解說時，p-n接面也稱為「發光層，emittinglayer或activelayer、activeregion」。 　　 　　附註：除了減少光遮、增加反射外，有時換用不同技術的用意是在於規避其他業者已申請的專利。 　　 　　各種AlGaInPLED的發光效能強化法，由左至右為技術先進度的差別，最左為最基礎標準的LED幾何結構，接著開始加入DBR（DistributedBraggReflector）反射層，再來是有DBR後再加入電流侷限（CurrentBlocking）技術，而最右為晶元光電的OMA（Omni-directionalMirrorAdherence）全方位鏡面接合技術，該技術也將基板材質從GaAs換成Si。 　　 　　對GaN、InGaN化合材料的LED而言，也有其自有的一套製程結構光通強化法，以德國OSRAM來說，1999年還在使用標準結構，2002年就進展到ATON結構，2003年換成更佳的NOTA結構，2005年則是ThinGaN結構。 　　 　　封裝層：抗老化黃光、透光率保衛戰 　　 　　從裸晶層面努力增加光亮後，接著就正式從封裝層面接手，務使光通維持最高、光衰減至最少。 　　 　　要有高的流明保持率（Transmittance，透光率、穿透率，以百分比單位表示），第一步是封裝材質，過去LED最常用的是環氧樹脂（epoxy），不過環氧樹脂老化後會逐漸變黃（因「苯環」成份），進而影響光亮顏色，尤其波長愈低時老化愈快，特別是部分WLED使用近紫外線（Nearultraviolet）發光，與其他可見光相比其波長又更低，老化更快。 　　 　　新的提案是用矽樹脂（silicone）換替環氧樹脂，例如美國Lumileds公司的Luxeon系列LED即是改採矽封膠。 　　 　　矽膠除了對低波長有較佳的抗受性、較不易老化外，矽膠阻隔近紫外線使其不外洩也是對人體健康的一種保護，此外矽膠的光透率、折射率、耐熱性都很理想，GEToshiba的InvisiSi1具有高達1.5∼1.53的折射率，波長範疇在350nm∼800nm間的光透率達95％，且波長低至300nm時仍有75％∼80％的光透，或者與折射率進行取捨，將折射率降至1.41，如此即便是300nm波長也能維持95％的光透性。同樣的，DowCoringToray的SR7010在405nm波長以上時光透率達99％，且硬化處理後折射率亦有1.51，另外耐熱上也都能達180℃∼200℃的水準，關於熱的問題我們在此暫不討論。 　　 　　隨著使用時間的增長，LED的光通量也會逐漸降低，圖中是兩個LED的壽命光通量曲線比較，下方藍色線為一般5mm的WLED指示燈，上方紅色線則是高功率LED照明燈。 　　 　　附註：另一個加速環氧樹脂老化變黃的因素來自溫度，高溫會加速老化。 　　 　　封裝層：透鏡的透射、反射杯的反射、折射 　　 　　前述的封裝主要在於保護LED裸晶，並在保護之餘盡可能讓光熱忠實向外傳遞，接下來還是在封裝層面，不過不再是內覆的Resin部分，而是外蓋的Lens部分。 　　 　　在用膠封裝完後，依據LED的不同用途會有各種不同的接續作法，例如做成一個一個的獨立封裝元件，過去最典型的單顆LED指示燈即是如此，另一種則是將多個LED併成一個整體性元件，如七段顯示器、點陣型顯示器等。此外焊接腳位方面也有兩種區分，即穿孔技術（Through-HoleTechnology；THT）及表面黏著技術（Surface-MountTechnology；SMT）。 　　 　　在此暫且不談論群集性的七段顯示器、點陣型顯示器，而就逐一獨立、分離、離散性的封裝來說，也要因應不同的應用而有不同的封裝外觀，若是與過往LED相同是做為穿孔性焊接的狀態指示燈則只要採行燈泡（Lamp）型態的封裝（今日也多俗稱成「炮彈型」），即便確定是此型也還有透鏡型態（LensType）的區別，如典型Lamp、卵橢圓Oval、超卵橢圓SuperOval、平直Flat等。而若是表面黏著型，也有頂視TopView、邊視SideView、圓頂Dome等。 　　 　　為何要有各種不同的透鏡外型？其實也有各自的應用需求，就一般而言，Lamp用來做指示燈號、Oval用於戶外標示或號誌、TopView用來做直落式的背光、Flat與SideView配合導光板（GuidePlate：LGP）做側邊入光式的背光、Dome做為小型照明燈泡、小型閃光燈等。 　　 　　外型不同、應用不同，發光的可視角度（ViewAngle）也就不同，此部分也就再次考驗封裝設計，運用不同的設計方式，可以獲得不同的發光角度、光強度、光通量，此方面常見的作法有四：中軸透鏡Axiallens、平直透鏡Flatlens、反射杯Reflectivecup、島塊反射杯Reflectivecupbyisland。 　　 　　一般的Lamp用的即是中軸透鏡法，Dome及Oval/SuperOval等也類似，但Oval/SuperOval的光亮比Lamp更集中在軸向的小角度內。而Flat則是用平直透鏡法，好處是光視角比中軸透鏡法更大，但缺點是光通量降低、光強度減弱。至於TopView、SideView等則多用反射杯或島塊反射杯，此作法是在封裝內加入反射鏡，對部分發散角度的光束進行反射、折射等收斂動作，使角度與光強度能取得平衡。 　　 　　就技術難易來說，只用上透鏡的Axiallens、Flatlens確實較為簡易，只要考慮透射與光束發散性，相對的有Reflectivecup就不同了，原有的透射、發散一樣要考慮，還要追加考慮反射、折射以及光束收斂，確實更加複雜。還有，我們還沒討論材質，透鏡部分除了可持續用原有的覆膠材質外也可以改用其他材質，因為透鏡已較為講究光透而較不講究裸晶防護，如此還可採行塑膠（Plastic）、壓克力（Acrylic）、玻璃（Glass）、聚碳酸酯（Polycarbonate）等，且如之前所述，光透性與波長有關，不同波長光透度不同，再加上有不同的材質可選擇，甚至要為透鏡上色，好增加光色的對比度，或視應用場合的裝飾效果（玩具、耶誕樹），還有前面的透鏡、反射杯等幾何設計等，以上種種構成了LED光通上的第四道課題。 　　 　　附註：今日有的LED也在Lamp型封裝內使用反射杯技術。 　　 　　最后：HBLED被人強調為「綠色照明」，言下之意「環保」是其很大的訴求點，所以不僅要無鉛（PbFree）封裝，還要合乎今日歐洲RoHS（RestrictionofHazardousSubstancesDirective，限用危害物質指令）的法令規範，無論封裝與LED整體都不能含有汞、鎘、六價鉻（hexavalentchromium）、多溴聯苯（PolyBrominatedBiphenyls；PBB）、多溴聯苯醚（PolyBrominatedDiphenylEther；PBDE）等環境有害物，此外WEEE（WasteElectricalandElectronicEquipmentdirective，廢棄電子電機設備指令）等其他相關法規也必須遵守。 　　 　　當然！前面我們也已經約略提到封裝物必須能封阻與抗受低波長、紫外光，還要有一定的硬度來抗受機械外力，以及耐熱性，此外絕緣、抗靜電、抗濕也都必須注意。 　　 　　更重要的是，無論您要不要高亮度，都必須盡可能將光亮導出，因為，若不能忠實導出光能，光能在封裝層內被吸收，就會轉化成熱能，為封裝上的散熱問題又添一項顧慮因素，事實上LED的熱若不能順利排解與降低，成為熱負荷，反過來一樣要傷害LED本體，包括亮度也會受到影響，因此，達到最佳、最理想的光通，是封裝設計必然要重視的一課！ 　　 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