高亮度LED之"封裝光通"原理技術(shù)探析?

毫無疑問，這個(gè)世界需要高亮度發(fā)光二極體（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(xiàn)在起的未來更是積極努力與需要超高亮度的LED（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(shè)計(jì)更簡潔容易，且有較高的抗外力性。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?zé)舻日彰?，不僅更光亮省電，使用也更長效，且點(diǎn)亮反應(yīng)更快，用於煞車燈時(shí)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(tài)指示燈，進(jìn)步到成為液晶顯示的背光，再擴(kuò)展到電子照明及公眾顯示，如車用燈、交通信號(hào)燈、資訊看板、大型影視墻，甚至是投影機(jī)內(nèi)的照明等，其應(yīng)用仍在持續(xù)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，過去認(rèn)為白光LED只能用來取代過於耗電的白熾燈、鹵素?zé)?，即發(fā)光效率在10～30lm/W內(nèi)的層次，然而在白光LED突破60lm/W甚至達(dá)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(xù)增強(qiáng)亮度及發(fā)光效率，但除了核心的螢光質(zhì)、混光等專利技術(shù)外，對(duì)封裝來說也將是愈來愈大的挑戰(zhàn)，且是雙重難題的挑戰(zhàn)，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(dǎo)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（高功率、高用電），進(jìn)出LED的電流值持續(xù)在增大，倘若不能良好散熱，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(xù)追求高亮度的LED，其使用的封裝技術(shù)若沒有對(duì)應(yīng)的強(qiáng)化提升，那麼高亮度表現(xiàn)也會(huì)因此打折，因此本文將針對(duì)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(dǎo)方面的討論。

裸晶層："量子井、多量子井"提升"光轉(zhuǎn)效率"
雖然本文主要在談?wù)揕ED封裝對(duì)光通量的強(qiáng)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(jié)構(gòu)的改善也能使光通量大幅提升。首先是強(qiáng)化光轉(zhuǎn)效率，這也是最根源之道，現(xiàn)有LED的每瓦用電中，僅有15％～2％被轉(zhuǎn)化成光能，其余都被轉(zhuǎn)化成熱能并消散掉（廢熱），而提升此一轉(zhuǎn)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p-n接面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變可提升轉(zhuǎn)化效率。目前多是在p-n接面上開鑿量子井（Quantum Well；QW），以此來提升用電轉(zhuǎn)換成光能的比例，更進(jìn)一步的也將朝更多的開鑿數(shù)來努力，即是多量子井（Multiple Quantum Well；MQW）技術(shù)。

"換料改構(gòu)、光透光折"拉高"出光效率"。
如果光轉(zhuǎn)效率難再要求，進(jìn)一步的就必須從出光效率的層面下手，此層面的作法相當(dāng)多，依據(jù)不同的化合材料也有不同，目前HB LED較常使用的兩種化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN，前者用來產(chǎn)生高亮度的橘紅、橙、黃、綠光，後者GaN用來產(chǎn)生綠、翠綠、藍(lán)光，以及用InGaN產(chǎn)生近紫外線、藍(lán)綠、藍(lán)光。方法包括改變實(shí)體幾何結(jié)構(gòu)（橫向轉(zhuǎn)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，大體都不離兩個(gè)原則：一、降低遮蔽、增加光透率。二、強(qiáng)化光折射、反射的利用率。如過去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(fā)出的光有一半被遮擋吸收，造成光能的浪費(fèi)，因此改用透明的GaP材料來做基板。又如日本日亞化學(xué)工業(yè)（Nichia），將p型電極（p type）部分做成網(wǎng)紋狀（Mesh Pattern），以此來增加p極的透明度，減少光阻礙同時(shí)提升光透量。至於增加折反射上，在AlGaInP的結(jié)構(gòu)中增加一層DBR（Distributed Bragg Reflector）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(lán)寶石（三氧化二鋁）來增加反射，同時(shí)將基板表面設(shè)計(jì)成凹凸紋狀，藉此增加光反射後的散射角度，進(jìn)而使取光率提升。或如德國歐司朗（OSRAM）使用SiC材料的基板，并將基板設(shè)計(jì)成斜面，也有助於增加反射，或加入銀質(zhì)、鋁質(zhì)的金屬鏡射層。

封裝層：抗老化黃光、透光率保衛(wèi)戰(zhàn)
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(wù)使光通維持最高、光衰減至最少。

要有高的流明保持率（Transmittance），第一步是封裝材質(zhì)。過去LED最常用的是環(huán)氧樹脂（epoxy），但環(huán)氧樹脂老化後會(huì)逐漸變黃，進(jìn)而影響光亮顏色，尤其波長愈低時(shí)老化愈快，特別是部分WLED使用近紫外線（Near ultraviolet）發(fā)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），例如美國Lumileds公司的Luxeon系列LED即是改采矽封膠。不只是Lumileds Luxeon，其他業(yè)者也都有矽膠方案，如通用電氣.東芝公司的InvisiSi1，東麗．道康寧的SR 7010等也都是LED的矽膠封裝方案。

矽膠除了對(duì)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泄也是對(duì)人體健康的一種保護(hù)，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(dá)1.5～1.53的折射率，波長范疇在350nm～800nm間的光透率達(dá)95％，且波長低至300nm時(shí)仍有75％～80％的光透，將折射率降至1.41，即便是300nm波長也能維持95％的光透性。Dow Coring Toray的SR 7010在405nm波長以上時(shí)光透率達(dá)99％，且硬化處理後折射率亦有1.51，另外耐熱上也都能達(dá)180℃～200℃的水準(zhǔn)。此外，也有業(yè)者提出所謂的無樹脂封裝，即是用玻璃來作為外套保護(hù)，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。

封裝層：透鏡的透射　反射杯的反射、折射
在用膠封裝完後，依據(jù)LED的不同用途會(huì)有各種不同的接續(xù)作法，例如做成一個(gè)一個(gè)的獨(dú)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(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(qū)分，即穿孔技術(shù)（Through-Hole Technology）及表面黏著技術(shù)（Surface-Mount Technology）。

就逐一獨(dú)立、分離、離散性的封裝來說，也要因應(yīng)不同的應(yīng)用而有不同的封裝外觀。若是作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（俗稱成"炮彈型"），即便是此也還有透鏡型態(tài)（Lens Type）的區(qū)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？就一般而言，Lamp用來做指示燈號(hào)、Oval用於戶外標(biāo)示或號(hào)志、Top View用來做直落式的背光、Flat與Side View配合導(dǎo)光板（Guide Plate）作側(cè)邊入光式的背光、Dome作為小型照明燈泡、小型閃光燈等。外型不同、應(yīng)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(yàn)封裝設(shè)計(jì)。運(yùn)用不同的設(shè)計(jì)方式，可以獲得不同的發(fā)光角度、光強(qiáng)度、光通量，此方面常見的做法有四：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等也類似，但Oval/Super Oval的光亮比Lamp更集中在軸向的小角度內(nèi)。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(qiáng)度減弱。至於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(nèi)加入反射鏡，對(duì)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(qiáng)度能取得平衡。

就技術(shù)難易來說，只用上透鏡的Axial lens、Flat lens較為簡易，只要考慮透射與光束發(fā)散性，相對(duì)的有Reflective cup就不同了，原有的透射、發(fā)散都要考慮，還要考慮反射、折射以及光束收斂，更加復(fù)雜。

材質(zhì)方面，透鏡部分除了可持續(xù)用原有的覆膠材質(zhì)外也可以改用其他材質(zhì)，因?yàn)橥哥R已較為講究光透而不講究裸晶防護(hù)，如此還可采行塑膠（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(guān)，不同波長光透度不同，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(duì)比度，或視應(yīng)用場合的裝飾效果（玩具、圣誕樹），還有前面的透鏡、反射杯等幾何設(shè)計(jì)等，以上種種構(gòu)成了LED光通上的第四道課題。

結(jié)語
HB LED被人強(qiáng)調(diào)為"綠色照明"，言下之意"環(huán)保"是其很大的訴求點(diǎn)，所以不僅要無鉛（Pb Free）封裝，還要合乎今日歐洲RoHS（限用危害物質(zhì)指令）的法令規(guī)范，無論封裝與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（廢棄電子電機(jī)設(shè)備指令）等其他相關(guān)法規(guī)也必須遵守。

?前面我們也已經(jīng)簡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(jī)械外力，以及耐熱性，此外絕緣、抗靜電、抗?jié)褚捕急仨氉⒁狻８匾氖?，無論是否高亮度，都必須盡可能將光亮導(dǎo)出，因?yàn)?，若不能忠?shí)導(dǎo)出光能，光能在封裝層內(nèi)被吸收，就會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能，為封裝上的散熱問題又添一項(xiàng)課題，LED的熱若不能順利排解與降低，成為熱負(fù)荷，反過來一樣要傷害LED本體，包括亮度也會(huì)受到影響，因此，達(dá)到最佳、最理想的光通，是封裝設(shè)計(jì)必然要重視課題！（文/郭長佑）