高亮度LED之“封裝光通”原理技術(shù)探析

　　前言：毫無(wú)疑問(wèn)的，這個(gè)世界需要高亮度發(fā)光二極管（High Brightness Light-Emitting Diode;HB LED），不僅是高亮度的白光LED（HB WLED），也包括高亮度的各色LED,且從現在起的未來(lái)更是積極努力與需要超高亮度的LED（Ultra High Brightness LED,簡(jiǎn)稱(chēng)：UHD LED）。

　　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(jiǎn)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(huán)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(cháng)效，且點(diǎn)亮反應更快，用于煞車(chē)燈時(shí)能減少后車(chē)追撞率。

　　所以，LED從過(guò)去只能用在電子裝置的狀態(tài)指示燈，進(jìn)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(chē)用燈、交通號志燈、看板訊息跑馬燈、大型影視墻，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''''s Law）一樣，每24個(gè)月提升一倍，過(guò)去認為白光LED只能用來(lái)取代過(guò)于耗電的白熾燈、鹵素燈，即發(fā)光效率在1030lm/W內的層次，然而在白光LED突破60lm/W甚至達100lm/W后，就連螢光燈、高壓氣體放電燈等也開(kāi)始感受到威脅。

　　雖然LED持續增強亮度及發(fā)光效率，但除了最核心的螢光質(zhì)、混光等專(zhuān)利技術(shù)外，對封裝來(lái)說(shuō)也將是愈來(lái)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(shí)還要注重光的發(fā)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(zhù)HP（High Power,高功率、高用電），進(jìn)出LED的電流值持續在增大，倘若不能良善散熱，則不僅會(huì )使LED的亮度減弱，還會(huì )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(shù)若沒(méi)有對應的強化提升，那么高亮度表現也會(huì )因此打折，因此本文將針對HB LED的封裝技術(shù)進(jìn)行更多討論，包括光通方面的討論，也包括熱導方面的討論。

　　附注1:一般而言，HB LED多指8lm/W（每瓦8流明）以上的發(fā)光效率。

　　附注2:一般而言，HP LED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。

　　裸晶層：「量子井、多量子井」提升「光轉效率」

　　雖然本文主要在談?wù)揕ED封裝對光通量的強化，但在此也不得不先說(shuō)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，其余都被轉化成熱能并消散掉（廢熱），而提升此一轉換效率的重點(diǎn)就在p-n接面（p-n junction）上，p-n接面是LED主要的發(fā)光發(fā)熱位置，透過(guò)p-n接面的結構設計改變可提升轉化效率。

　　關(guān)于此，目前多是在p-n接面上開(kāi)鑿量子井（Quantum Well;QW），以此來(lái)提升用電轉換成光能的比例，更進(jìn)一步的也將朝更多的開(kāi)鑿數來(lái)努力，即是多量子井（Multiple Quantum Well;MQW）技術(shù)。

　　裸晶層：「換料改構、光透光折」拉高「出光效率」

　　亮度提升的LED已經(jīng)跨足到公眾場(chǎng)合的號志應用，此為國內工地外圍的交通方向指示燈，即是用HB LED所組構成。

　　附注3:AlGaInP（磷化鋁鎵銦）也稱(chēng)為「四元發(fā)光材料」，即是以Al、Ga、In、P四種元素化合而成。

　　附注4:在一般的圖形結構解說(shuō)時(shí)，p-n接面也稱(chēng)為「發(fā)光層，emitting layer或active layer、active region」。

　　附注5:除了減少光遮、增加反射外，有時(shí)換用不同技術(shù)的用意是在于規避其它業(yè)者已申請的專(zhuān)利。

　　各種AlGaInP LED的發(fā)光效能強化法，由左至右為技術(shù)先進(jìn)度的差別，最左為最基礎標準的LED幾何結構，接著(zhù)開(kāi)始加入DBR（Distributed Bragg Reflector）反射層，再來(lái)是有DBR后再加入電流局限（Current Blocking）技術(shù)，而最右為晶元光電的OMA（Omni-directional Mirror Adherence）全方位鏡面接合技術(shù)，該技術(shù)也將基板材質(zhì)從GaAs換成Si.

　　對GaN、InGaN化合材料的LED而言，也有其自有的一套制程結構光通強化法，以德國OSRAM來(lái)說(shuō)，1999年還在使用標準結構，2002年就進(jìn)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后，接著(zhù)就正式從封裝層面接手，務(wù)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(zhì)，過(guò)去LED最常用的是環(huán)氧樹(shù)脂（epoxy），不過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂老化后會(huì )逐漸變黃（因「苯環(huán)」成份），進(jìn)而影響光亮顏色，尤其波長(cháng)愈低時(shí)老化愈快，特別是部分WLED使用近紫外線(xiàn)（Near ultraviolet）發(fā)光，與其它可見(jiàn)光相比其波長(cháng)又更低，老化更快。

　　新的提案是用矽樹(shù)脂（silicone）換替環(huán)氧樹(shù)脂，例如美國Lumileds公司的Luxeon系列LED即是改采矽封膠。

　　使用矽膠的不只是Lumileds Luxeon,其它業(yè)者也都有矽膠方案，如通用電氣。東芝（GE Toshiba）公司的InvisiSi1,東麗。道康寧（Dow Coring Toray）的SR 7010等也都是LED的矽膠封裝方案。

　　矽膠除了對低波長(cháng)有較佳的抗受性、較不易老化外，矽膠阻隔近紫外線(xiàn)使其不外泄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，GE Toshiba的InvisiSi1具有高達1.51.53的折射率，波長(cháng)范疇在350nm800nm間的光透率達95%,且波長(cháng)低至300nm時(shí)仍有75%80%的光透，或者與折射率進(jìn)行取舍，將折射率降至1.41,如此即便是300nm波長(cháng)也能維持95%的光透性。同樣的，Dow Coring Toray的SR 7010在405nm波長(cháng)以上時(shí)光透率達99%,且硬化處理后折射率亦有1.51,另外耐熱上也都能達180℃200℃的水平，關(guān)于熱的問(wèn)題我們在此暫不討論。

　　此外，也有業(yè)者提出所謂的無(wú)樹(shù)脂封裝，即是用玻璃來(lái)作為外套保護，或如日本京瓷（Kyocera）提出的陶瓷封裝，都是為了抗老化而提出，其中陶瓷也有較佳的耐熱效果。

　　Lumileds Lighting公司的Luxeon系列LED（InGaN）的橫切面圖，從圖中可知Luxeon用矽封裝進(jìn)行裸晶防護，而非傳統的環(huán)氧樹(shù)脂。

　　隨著(zhù)使用時(shí)間的增長(cháng)，LED的光通量也會(huì )逐漸降低，圖中是兩個(gè)LED的壽命光通量曲線(xiàn)比較，下方藍色線(xiàn)為一般5mm的WLED指示燈，上方紅色線(xiàn)則是高功率LED照明燈。

　　附注6:另一個(gè)加速環(huán)氧樹(shù)脂老化變黃的因素來(lái)自溫度，高溫會(huì )加速老化。

　　封裝層：透鏡的透射 反射杯的反射、折射

　　前述的封裝主要在于保護LED裸晶，并在保護之余盡可能讓光熱忠實(shí)向外傳遞，接下來(lái)還是在封裝層面，不過(guò)不再是內覆的Resin部分，而是外蓋的Lens部分。

　　在用膠封裝完后，依據LED的不同用途會(huì )有各種不同的接續作法，例如做成一個(gè)一個(gè)的獨立封裝元件，過(guò)去最典型的單顆LED指示燈即是如此，另一種則是將多個(gè)LED并成一個(gè)整體性元件，如七段顯示器、點(diǎn)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(shù)（Through-Hole Technology;THT）及表面黏著(zhù)技術(shù)（Surface-Mount Technology;SMT）。

　　在此暫且不談?wù)撊杭缘钠叨物@示器、點(diǎn)陣型顯示器，而就逐一獨立、分離、離散性的封裝來(lái)說(shuō)，也要因應不同的應用而有不同的封裝外觀(guān)，若是與過(guò)往LED相同是做為穿孔性焊接的狀態(tài)指示燈則只要采行燈泡（Lamp）型態(tài)的封裝（今日也多俗稱(chēng)成「炮彈型」），即便確定是此型也還有透鏡型態(tài)（Lens Type）的區別，如典型Lamp、卵橢圓Oval、超卵橢圓Super Oval、平直Flat等。而若是表面黏著(zhù)型，也有頂視Top View、邊視Side View、圓頂Dome等。

　　為何要有各種不同的透鏡外型？其實(shí)也有各自的應用需求，就一般而言，Lamp用來(lái)做指示燈號、Oval用于戶(hù)外標示或號志、Top View用來(lái)做直落式的背光、Flat與Side View配合導光板（Guide Plate: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(fā)光的可視角度（View Angle）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(fā)光角度、光強度、光通量，此方面常見(jiàn)的作法有四：中軸透鏡Axial lens、平直透鏡Flat lens、反射杯Reflective cup、島塊反射杯Reflective cup by island.

　　一般的Lamp用的即是中軸透鏡法，Dome及Oval/Super Oval等也類(lèi)似，但Oval/Super Oval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(diǎn)是光通量降低、光強度減弱。至于Top View、Side View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(fā)散角度的光束進(jìn)行反射、折射等收斂動(dòng)作，使角度與光強度能取得平衡。

　　日亞化學(xué)工業(yè)（Nichia）的5mm白光LED,圖中可見(jiàn)炮彈（Lamp）型封裝內部也使用碗狀的反射杯（Reflective cup）設計來(lái)強化光照角度及強度。

　　就技術(shù)難易來(lái)說(shuō)，只用上透鏡的Axial lens、Flat lens確實(shí)較為簡(jiǎn)易，只要考慮透射與光束發(fā)散性，相對的有Reflective cup就不同了，原有的透射、發(fā)散一樣要考慮，還要追加考慮反射、折射以及光束收斂，確實(shí)更加復雜。

　　還有，我們還沒(méi)討論材質(zhì)，透鏡部分除了可持續用原有的覆膠材質(zhì)外也可以改用其它材質(zhì)，因為透鏡已較為講究光透而較不講究裸晶防護，如此還可采行塑料（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(cháng)有關(guān)，不同波長(cháng)光透度不同，再加上有不同的材質(zhì)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(chǎng)合的裝飾效果（玩具、耶誕樹(shù)），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。

　　結束語(yǔ)

　　最后，HB LED被人強調為「綠色照明」，言下之意「環(huán)?！故瞧浜艽蟮脑V求點(diǎn)，所以不僅要無(wú)鉛（Pb Free）封裝，還要合乎今日歐洲RoHS（Restriction of Hazardous Substances Directive,限用危害物質(zhì)指令）的法令規范，無(wú)論封裝與LED整體都不能含有汞、鎘、六價(jià)鉻（hexavalent chromium）、多溴聯(lián)苯（PolyBrominated Biphenyls;PBB）、多溴聯(lián)苯醚（PolyBrominated Diphenyl Ether;PBDE）等環(huán)境有害物，此外WEEE（Waste Electrical and Electronic Equipment directive,廢棄電子電機設備指令）等其它相關(guān)法規也必須遵守。

　　當然！前面我們也已經(jīng)約略提到封裝物必須能封阻與抗受低波長(cháng)、紫外光，還要有一定的硬度來(lái)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(wú)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(shí)導出光能，光能在封裝層內被吸收，就會(huì )轉化成熱能，為封裝上的散熱問(wèn)題又添一項顧慮因素，事實(shí)上LED的熱若不能順利排解與降低，成為熱負荷，反過(guò)來(lái)一樣要傷害LED本體，包括亮度也會(huì )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！