應(yīng)用的快速興起，預(yù)期將擴(kuò)大高功率LED的產(chǎn)品需求，為確保能符合市場(chǎng)要求，封裝業(yè)者試圖借由改善封裝材料、晶粒配置等方面，以真正達(dá)成高性?xún)r(jià)比與延長(zhǎng)使用壽命的目的。
產(chǎn)業(yè)界時(shí)常發(fā)表的高功率(LED)光源，多為數(shù)十瓦甚至上百瓦的技術(shù)，以光系統(tǒng)應(yīng)用真?zhèn)€角度觀(guān)之，實(shí)無(wú)太大意義，反而是如何能將數(shù)十至上百瓦的熱消除才是關(guān)鍵。而要達(dá)成此一目標(biāo)，須能有效降低單一LED封裝之熱阻值(Rjc)。 LED封裝所驅(qū)動(dòng)的功率大小受限于封裝體熱阻與所搭配之散熱模塊(Rca)，兩者決定LED的系統(tǒng)熱阻和穩(wěn)態(tài)所能忍受的最大功率值。為降低封裝熱阻，業(yè)者試圖加大封裝體內(nèi)LED晶粒分布間隔，然LED晶粒分布面積不宜太大，過(guò)大的發(fā)光面積會(huì)使后續(xù)光學(xué)難以處理，也限制該產(chǎn)品的應(yīng)用。不可一味將更多的LED晶粒封裝于單一體內(nèi)，以求達(dá)到高功率封裝目的，由于仍有諸多因素待考慮，尤其是對(duì)于應(yīng)用面。
多晶粒封裝材料不斷發(fā)展
隨著LED封裝功率提升，多晶粒封裝(Multi-chip Package)成為趨勢(shì)，傳統(tǒng)高功率LED封裝多采用塑料射出之預(yù)成型導(dǎo)線(xiàn)架(Pre-mold Lead Frame)方式(圖1a)，封裝載體(Carrier)又稱(chēng)為芯片承載(Die Pad)，為一連續(xù)的金屬塊，已無(wú)法滿(mǎn)足多晶粒串接之電性需求，電性串并聯(lián)方式直接影響LED晶粒電測(cè)分檔(Bin)的精密程度、可靠度壽命以及封裝體在應(yīng)用時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。于是眾多LED封裝型式陸續(xù)被提出，圖2舉出幾個(gè)代表性高功率LED封裝典型例子。
圖1 常見(jiàn)高功率LED封裝結(jié)構(gòu)示意
圖2 典型具代表性之高功率LED封裝
廣為業(yè)界使用的高功率LED封裝結(jié)構(gòu)，主要的差異大致可從封裝載體之材料選用做區(qū)分，實(shí)現(xiàn)方式不過(guò)乎采用高導(dǎo)熱陶瓷基材或直接在金屬基材上做植晶封裝(圖1b)，成為板上芯片(Chip On Board, COB)的封裝形式。但由于高導(dǎo)熱陶瓷基材價(jià)格居高不下，另有經(jīng)濟(jì)的選擇，為使用低導(dǎo)熱積層陶瓷配合熱導(dǎo)通孔(Thermal Via)的農(nóng)業(yè)技術(shù)http://www.c525.cn設(shè)計(jì)(圖1c)，熱導(dǎo)通孔內(nèi)添進(jìn)燒結(jié)金屬(如銀材)作為導(dǎo)熱路徑；此外，亦另有先進(jìn)的作法，是使用半導(dǎo)體制程硅材為載體(圖1d)達(dá)到熱電分離，同時(shí)兼具高功率密度和低熱阻(＜0.5℃/W)特性，可看將高功率LED封裝導(dǎo)進(jìn)另一項(xiàng)革命。隨著LED功率和功率密度升級(jí)，將加速LED在各應(yīng)用領(lǐng)域逐次取代傳統(tǒng)光源。
一級(jí)光學(xué)鏡片封裝材料選用舉足輕重
耐高溫且穩(wěn)定的封合膠體(Encapsulation)已被廣泛采用，不同硅膠基材間的取舍，除了加工性外，主要在于折射率的考慮，其將影響封裝體的光學(xué)特性，此包括光分配(Beam Distribution)與出光效率等。為維持穩(wěn)定一致的光學(xué)質(zhì)量，賦予一級(jí)光學(xué)鏡片(Primary Lens)有其必要性，好的鏡片設(shè)計(jì)可提供更佳的光輸出質(zhì)量，如更均勻的光強(qiáng)度、色坐標(biāo)分布等，對(duì)于LED的有效出光有盡對(duì)的影響。
一級(jí)光學(xué)鏡片的設(shè)計(jì)，各家自有其道，一般在第一階出光多采用大出光角(≧120o)方式，再透過(guò)后續(xù)的二階光學(xué)處理調(diào)整達(dá)所需要的光形，大出光角的另一好處，是有利于將光萃取出來(lái)，呈現(xiàn)更好的發(fā)光效率值。 一級(jí)光學(xué)材料的選用是很大的關(guān)鍵點(diǎn)，在過(guò)往，受限于可光學(xué)成型材料的瓶頸，多數(shù)以光學(xué)聚碳酸脂(PC)或光學(xué)壓克力(PMMA)材質(zhì)為主(低階產(chǎn)品甚或有使用氧樹(shù)脂的例子)，現(xiàn)階段因硅膠材性質(zhì)已多有突破，陸續(xù)被使用在一級(jí)光學(xué)鏡片，然因膠材乃屬黏彈性非堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)，在光學(xué)精準(zhǔn)性上會(huì)受到交鏈反應(yīng)收縮程度差異影響，同時(shí)因硅膠輕易吸收水氣，在高濕潤(rùn)環(huán)境下，硅膠鏡片可能因吸濕膨脹而使原先設(shè)計(jì)的配光發(fā)生變化，硅膠材應(yīng)用在高功率LED封裝，適處于推廣階段。至于在光學(xué)鏡片材料選用上，還有另一種可行方式，對(duì)于實(shí)現(xiàn)更精致光學(xué)質(zhì)量與高度可靠度需求者，可選用穩(wěn)定的玻璃鏡片，滿(mǎn)足長(zhǎng)壽命和容許惡劣使用環(huán)境下嚴(yán)格考驗(yàn)。
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寧波瘦身 有效降低熱阻值為首要課題
LED封裝推向高功率，首要面對(duì)熱的挑戰(zhàn)。熱效應(yīng)始終為各種材料特性退化的一大加速因子，如何掌控結(jié)點(diǎn)溫度，成為決定LED封裝功率值的主要因素，現(xiàn)階段固態(tài)照明產(chǎn)生白光的主流機(jī)制，仍以可見(jiàn)藍(lán)光(450～470奈米)透過(guò)熒光材(Phosphor)激發(fā)黃色光譜混合，而產(chǎn)生人類(lèi)視覺(jué)上的白光。 市面上可見(jiàn)之藍(lán)光晶粒技術(shù)已達(dá)一定水平，晶粒本身對(duì)熱沖擊的忍受程度相當(dāng)大(溫度每提升10℃、發(fā)光效率衰退小于1%)，然而熱對(duì)于所有類(lèi)型熒光材的效應(yīng)則相對(duì)敏感，熒光材之光轉(zhuǎn)換效率隨溫度上升而降低(圖3)，同時(shí)影響熒光材料壽命，特別當(dāng)熒光材料溫度超過(guò)70℃以上時(shí)會(huì)急速衰退，此意味著LED結(jié)點(diǎn)溫度(Junction Temperature, Tj)須有效控制在70℃以下，始能有效確保LED可用壽命(一般壽命以L(fǎng)70計(jì)算，LED衰退至原來(lái)亮度70%之時(shí)間)，作為壽命判定依據(jù)，而此要求一般皆在20,000小時(shí)以上。因此，當(dāng)討論LED最高功率以及效能時(shí)，須考慮其于正常操縱狀態(tài)下，達(dá)熱穩(wěn)定時(shí)之結(jié)果往推算始具意義。LED封裝體自身之熱阻，決定該封裝所能承受的最大功率，如何有效降低Rjc值，是為高功率LED封裝須面對(duì)的一大挑戰(zhàn)。
圖3 熒光材光轉(zhuǎn)換效率隨溫度之變化
本錢(qián)、電性、可靠度為封裝體晶粒配置三大評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)
LED晶粒的工作電流密度有其上限(以40×40密爾(mil)芯片面積為例，依芯片等級(jí)，驅(qū)動(dòng)電流從350～1,000毫安皆有，然而進(jìn)步LED功率最直接的作法，是進(jìn)步LED封裝內(nèi)的總晶粒面積，作法不過(guò)乎增加晶粒大小，或是進(jìn)步晶粒數(shù)目(采用多晶封裝方式)，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，可從晶粒本錢(qián)、電性考慮、以及可靠度壽命等角度予以評(píng)估： ? 本錢(qián)考慮 以大尺寸80密爾晶粒為例，其面積相當(dāng)于四個(gè)40密爾晶粒，然對(duì)于晶粒價(jià)格而言，80密爾的晶粒本錢(qián)，因良率因素，必定高于四個(gè)40密爾的本錢(qián)。 ? 電性連接方式 從電性的角度來(lái)看，80密爾晶粒相當(dāng)于將四個(gè)40密爾晶粒以并聯(lián)形式連接(圖4a)，而若使用四個(gè)40密爾晶粒，則可以選擇透過(guò)打線(xiàn)(Wire Bonding)方法以串聯(lián)形式連接(圖4b)，串聯(lián)與并聯(lián)方式的差異，可反應(yīng)在性能表現(xiàn)，了解每顆LED晶粒的順相電壓(Forward Voltage, Vf)皆有差異，換句話(huà)說(shuō)，也就是各晶粒單元的內(nèi)阻值不一，四顆晶粒并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，必有電流分布不均題目，電流分配較大的晶粒，光轉(zhuǎn)換效率大同時(shí)也加速晶粒老化，電流分配不足的晶粒，則無(wú)法開(kāi)釋出足夠的光能，結(jié)果使整體的發(fā)光效率不如預(yù)期。
圖4 于相同的晶粒面積條件下，不同晶粒大小相對(duì)應(yīng)之電性連接示意
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? 可靠度壽命 大晶粒因有電流分布不均現(xiàn)象，電流密度大的區(qū)域加速老化，LED老化的結(jié)果是阻值降低，導(dǎo)致該區(qū)域電流密度(Current Density)愈來(lái)愈大，也形成所謂的熱門(mén)(Hot Spot)，惡性循環(huán)的結(jié)果會(huì)加速LED衰退。因此，LED在相同電流密度操縱下，大晶粒的可靠度壽命較小晶粒短。 總的來(lái)說(shuō)，采用串聯(lián)形式是比較有利的作法，然大尺寸晶粒卻有其他方面的上風(fēng)，在光學(xué)處理上，大尺寸晶粒相較于多個(gè)小尺寸晶粒，更趨近于，較輕易處理。大、小晶粒尺寸間的取舍端視應(yīng)用領(lǐng)域而定，在實(shí)際操縱上，仍須考慮封裝的制程可行性以及電路組件的搭配性。
整合共通平臺(tái)有助于降低開(kāi)發(fā)本錢(qián) 回顧2001年，Lumiled Luxeon首推出1瓦高功率LED盛極一時(shí)，以當(dāng)時(shí)的封裝，可謂經(jīng)典設(shè)計(jì)，眾多周邊廠(chǎng)商紛紛推出搭配Luxeon的周邊零件，包括二次光學(xué)、散熱、熱模寧波團(tuán)購(gòu)http://tuan.c3618.cn/塊、驅(qū)動(dòng)電路等，采取Luxeon封裝可毋須顧慮光學(xué)模塊，并有各式驅(qū)動(dòng)電路可供用，大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)程。反觀(guān)現(xiàn)階段高功率LED封裝，各廠(chǎng)自有其獨(dú)特規(guī)格，彼此間完全沒(méi)有可共通的零配件可交互使用，即使是當(dāng)年紅極一時(shí)的Lumiled(現(xiàn)已并進(jìn)飛利浦)，亦打破過(guò)往一貫的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)，使得原先配合之周邊零組件廠(chǎng)無(wú)所適從。在沒(méi)有整合共通平臺(tái)的發(fā)展下，可以預(yù)期的結(jié)果是各廠(chǎng)自行開(kāi)發(fā)其高功率LED封裝規(guī)格，使得下游系統(tǒng)應(yīng)用廠(chǎng)使用更加困難，除非鎖定某單一LED供給源，否則若欲同時(shí)有二至三種供貨來(lái)源，則須投進(jìn)倍數(shù)的開(kāi)發(fā)本錢(qián)于同一產(chǎn)品上。通用平臺(tái)的無(wú)法實(shí)現(xiàn)，可以預(yù)期最后的局勢(shì)為弱肉強(qiáng)食，而非共享甜蜜果實(shí)的結(jié)局。 演色性、色彩均勻、價(jià)格挑戰(zhàn)越來(lái)越大 近年來(lái)突飛猛進(jìn)，高功率LED取代傳統(tǒng)光源展現(xiàn)在節(jié)能的效益已獲證實(shí)，2008年初可以量產(chǎn)的白光LED封裝已突破每瓦70流明水平，超越傳統(tǒng)通用照明最為普及的省電燈泡(管)?？梢灶A(yù)見(jiàn)在未來(lái)的一年，大于每瓦100流明的可貿(mào)易化白光LED即將面世。在一味追求高發(fā)光效率的同時(shí)，亦期待LED業(yè)界在光學(xué)質(zhì)量同樣獲得提升，包括： ? 對(duì)演色性的追求 使用于室內(nèi)照明的光源，人們夸大光源的演色性，目的在使被照物體呈現(xiàn)更自然色彩，如何提升演色性(CRI＞80)，這部分須仰賴(lài)晶粒廠(chǎng)與熒光材廠(chǎng)的齊力配合，使激發(fā)光譜更加寬廣、且更接近于大自然光源。 ? 提升光色彩均勻度 很多LED投射出的光色彩均勻度不理想，經(jīng)?？梢?jiàn)者為外圍黃圈題目(光靠近外圈之色溫低于中心區(qū)域)，即便是國(guó)際著名LED封裝大廠(chǎng)亦難解此課題，此須同時(shí)從封裝結(jié)構(gòu)，光學(xué)設(shè)計(jì)以及熒光體涂布制程技術(shù)等并行處理。 ? 價(jià)格普及化 高功率LED封裝的最大市場(chǎng)，在于廣大的通用照明，未來(lái)LED何時(shí)能廣泛被應(yīng)用，只剩價(jià)格題目，預(yù)估LED封裝成品價(jià)格低于100流明下1.5美元的性?xún)r(jià)比，同時(shí)LED效能仍須維持在每瓦70流明以上之水平，而交流對(duì)直流(AC-DC)驅(qū)動(dòng)電路價(jià)格低于每瓦0.3美元，則將是高功率LED在固態(tài)照明正式被啟動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)?！ ED性能對(duì)產(chǎn)品壽命影響巨大在LED特性的表現(xiàn)上，封裝業(yè)的角度僅呈現(xiàn)組件之初始特性(Initial Characteristic, i.e., Tj=25℃)，然在實(shí)際應(yīng)用上，用戶(hù)想知道的是產(chǎn)品在持續(xù)操縱之穩(wěn)定狀態(tài)(Steady State)下的數(shù)據(jù)，如何讓終真?zhèn)€系統(tǒng)整合業(yè)者，以高功率LED封裝設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)能有效掌控LED特性，須忠實(shí)提供客戶(hù)關(guān)于LED封裝體熱阻、LED光通量隨結(jié)點(diǎn)溫度(Tj)變化之關(guān)系以及結(jié)點(diǎn)溫度對(duì)于LED壽命的影響。 對(duì)于系統(tǒng)用戶(hù)而言，LED封裝體即是一個(gè)電子組件，如同一般其他電子組件的表達(dá)方式，唯有提供足夠的組件特性(尤其在對(duì)熱的性能表現(xiàn)上)，在組件使用上，才有辦法公道的預(yù)估產(chǎn)品壽命，維護(hù)消費(fèi)者信心。
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