工艺技术_白光led封装

白光LED封装由于高辉度蓝光LED的问世，因此利用荧光体与蓝光LED的组合，就可轻易获得白光LED。目前白光LED已成为可携式信息产品的主要背光照明光源，未来甚至可成为一般家用照明光源。此外最近几年出现高功率近紫外LED，同样的可利用荧光体变成白光LED，LED的特点是小型、低耗电量、寿命长，若与具备色彩设计自由度、稳定、容易处理等特点的荧光体组合时，就可成为全新的照明光源。通常LED与荧光体组合时，典型方法是将荧光体设于LED附近，主要原因是希望荧光体能高效率的将LED产生的光线作波长转换，而将荧光体设于光线放射密度较高的区域，对波长转换而言是最简易的方法。此外荧光体封装方法决定白光LED的发光效率与色调，因此接着将根据白光化的观点，深入探讨LED与荧光体的封装技术。蓝色LED+YAG荧光体的白光化封装图1是目前已商品化白光LED，具体而言它是将可产生黄光的YAG:Ce荧光体分散于透明的环氧树脂内，再用设于碗杯内的蓝色LED产生的光线激发转换成白光，这种方式的白光发光机制是利用LED产生蓝色光线，其中部份蓝光会激发YAG荧光体变成黄色发光，剩余的蓝光则直在外部进行蓝光与黄光混色进而变成白光，这种方式的特点是结构简单，只需在LED的制作过成中追加荧光体涂布工程即可，因此可以大幅抑制制作成本，此外另一特点是色度调整非常单纯。图1 蓝光LED+YAG荧光体图2是改变树脂内YAG荧光体浓度之后，LED色坐标plot的结果，由图可知只要色坐标是在LED与YAG荧光体两色坐标形成的直线范围内，就可任意调整色调，依此可知YAG荧光体浓度较低时，蓝色穿透光的比率较多，整体就会呈蓝色基调白光；相对的如果YAG荧光体浓度较高时，黄色转换光的比率较多，整体呈黄色基调白光。如上所述将部份蓝色LED当作互补色的方式，不需要高密度(与树脂的百分比)的荧光体涂布，因此可以有效降低荧光体的使用量。一般而言荧光体与树脂的百分比，虽然会随着YAG荧光体的转换效率，与碗杯的形状而改变，不过1020wt%左右低配合比就能获得白光。此外由于蓝光LED放射的光强度，在中心轴与周围的分布并不相同，即使LED芯片周围的YAG荧光体的密度完全相同，仍然会造成轴上与周围的光线不均等问题，这也是今后必需克服的课题之一。图3是蓝光LED+YAG荧光体白光LED制作流程；图4典型的发光频谱，由图可知Lead Frame Type与Chip Type都是将蓝光LED设于碗杯内，再用混有定量YAG荧光体的树脂涂布封装。由于LED具备小型、省电、长寿等特征，因此已经广泛应用于行动电话、PDA等可携式信息产品的背光照明光源，以及步道引导灯等领域。图2 蓝光LED+YAG荧光体的色度调整方法图3 荧光体的涂布工程图4 YAG荧光体+蓝光LED的发光频谱近紫外LED+RGB荧光体的白光化封装有关LED芯片与荧光体组合构成白光LED的方式，除了以上介绍的蓝色LED+YAG荧光体以外，近紫外LED+RGB荧光体的组合方式，最近也越来越受到重视，这种方式的特征是将LED产生的近紫外光，分别转换成R、G、B再合成变成白光，它所cover的白光领域比蓝色LED+YAG荧光体方式更宽广，此外紫外光转换成R、G、B的动作原理与传统荧光灯相同，因此没有色彩不均的困扰而且演色性非常优秀。利用R、G、B荧光体产生白光的场合，通常事先会根据一定的混合比率调整各荧光体，因此接着要介绍荧光体的调整方法。一般而言评鉴光源色彩时，若使用XYZ表色系(CIE1931)作说明会比较容易理解。基本上它是根在XYZ表色系再用下式求得光源色彩的三个刺激值:S():光源放射量的相对分光分布。:XYZ表色系的等色关数。k :比例系数。接着利用式(1)求得的三个刺激值XYZ，代入下式就可求得色度坐标x,y,z:此外XYZ表色系的等色关数，相当于标准比视感度V()，因此利用式(1)求得的Y刺激值成为表示亮度的尺寸。一般光源的色彩是用(Y，x，y)方式表示，因此又称为CIE表色值。RGB荧光体的场合，若欲利用各荧光体的CIE表色值作简计算，必需先用荧光分光器量测相对分光分布，再代入式(1)与式(2)就可获得各表色值，这种情况通常会希望激发各荧光体的波长，都能落在LED发光中心波长附近，如此一来就能以相同的测试条件，利用各荧光体的相对分光分布使表色值作相对性处理。此处假设RGB荧光体的表色(Y，x，y)分别如下:R荧光体:(YR，xR，yR)G荧光体:(YG，xG，yG)B荧光体:(YB，xB，yB)有关白色目标色度坐标W(xW，yW) 的各Y刺激值比率(YR，YG，YB) ，根据加法混色法则下列关系就能成立:Y:YG:YB=此处(x0，y0) 表示直线R-G与直线R-W的交点坐标。图5 RGB荧光体的色度调整方法实际混合制程是将RGB荧光体的色度坐标代入式(3)，依此方式所求得的Y刺激值比率可用混合率加以调整。假设各荧光体的Y刺激值量测结果为YY，Yg，Yb ，如此一来可变成白色目标色度坐标W的混合比率(R:G:B) 就可用下式表示:通常混合制程大多采用重量比方式，因此各荧光体之间的借贷密度差很大时就必需修正式(4)。假设RGB各荧光体之间的借贷密度分别是(DY，Dg，Db)，则混合比率(R:G:B) 可用下式表示:图6是调整后的RGB混合荧光体混入适当的透明胶合剂(binder)，并涂布在透明基板上，制成试样时的近紫外LED(发光峰值波长为384nm)发光特性。一般荧光体膜层的穿透辉度有所谓的峰值厚度，如果膜厚超过峰值厚度，穿透辉度会随着厚度的增加逐渐降低。造成该现象主要原因是激发光照射方向与取光方向相同有关，尤其是激发照射面附近密度较高的光线，会随着厚度的增加容易被遮蔽；相较之下反射辉度则是随着膜层厚度而增加，如同穿透辉度一样它不会因为膜层厚度增加而减少，该现象与上述的情况不同，主要原因是激发光照射方向与取光方向相反所造成，换句话说激发密度较高的照射面附近的光线取出与膜层厚度无关，由来可获得一项结论，就是利用上述方式使蓝光LED转换成白光时，为得到较高的光线转换效率，因此希望LED产生的紫外光，都能被RGB荧光体转换成可视光，尤其是该需求与上述的蓝光LED+YAG荧光体方式比较时，更突显提高荧光体膜层的荧光体充填密度重要性。图7是利用SE取得的不同荧光体充填密度的膜层断面照片。图6 RGB荧光体的发光特性图7 RGB荧光体膜层的断面由图7(a)可知binder与荧光体的混合较高时，荧光体充填密度也随着增高，根据图6的方法利用近紫外LED激发试料时，穿透辉度峰值的膜厚等同于实用膜厚(50100m)，因此紫外线穿透比较少；相对的图7(b)的binder与荧光体混合较低时，荧光体充填密度随着减少，荧光体膜层内的binder体积率变大，因此利用近紫外LED激发试料时，部份激发紫外光不但无法被荧光体吸收，反而会穿过binder放射至外部，使得紫外光穿透量变多，而转换成可视光的换换效率亦随着降低，除此之外穿透辉度达到峰值时的膜厚，则会朝更厚方向移动而该膜厚比实用膜厚更厚，因此一般与紫外LED组合的荧光体膜层，大多会采用较高的充填密度。图6是典型的近紫外LEDRGB荧光体的封装方法，实际上这种封装方法可分为穿透式与反射式两种。图8是穿透式的封装方式，基本上它是用GaN系近紫外LED以Flip Chip方式封装于蓝宝石基板，再用高反射率金属当电极，因此它的光输出是传统透明电极face up结构的二倍左右。由于电极导线直接从LED chip取至外部，因此可将荧光体层设于LED chip表面。有关荧光体的封装，基本上它是在玻璃基板上，制作紫外线反射膜与RGB荧光体层，接着再加工成与LED chip size大小相同的外形，设于荧光体下方并与LED chip接合，为了使LED chip端面射出的紫外线也能转换成可视光，因此LED chip周围涂有荧光体，最后再用树脂封装变成穿透型白光LED。图9是典型的反射式白光LED，由图可知它是由一对电极与涂有荧光体的凹形碗杯所构成，Flip Chip紫外LED被 bonding后，与设有紫外线反射膜层与外部电极的玻璃基板贴合，内部再用树脂或是惰性气体密封，形成反射式白光LED。根据以上的说明可知不论何种方式，利用荧光体转高效率换成可视光时紫外光的泄漏量并非零，因为其中部份紫外光会放射至外部，所以必需设置紫外光反射膜，也就是说如何亦提高荧光体的转换效率成为今后主要课题之一。图10是发光频谱的实例。图9 反射式白光LED的结构图10 白光LED(近紫外LED+RGB荧光体)高功率白光LED的封装以上介绍的白光LED芯片，大小大约是0.3mm正方，每个LED的光束大约是12流明左右，如果以白光LED当作一般照明光源，甚至要取代全光束为800流明的60瓦灯泡，至少必需使用500个的白光LED，如此一来对白光LED而言，势必丧失原有的优势，因此相关业界相继提案希望加大LED芯片尺寸，藉此提高每个LED的光束，例如LED芯片的大小若是1mm正方时，驱动电流会从目前的20mA提高10倍变成200mA，如此便可大幅提高光输出，不过提高输出会面临如何有效排放LED芯片产生的热能等问题。一般利用近紫外激发荧光体产生白光的蓝光LED，外部量子效率(注入芯片的电子数与取至外部光子数的百分比)大约是1020%，最近发表的近紫外LED外部量子效率则为30%，换句话说其它电气能量大部份都在LED芯片内转成热能，而且LED芯片产生的热能是与驱动电流成比例增加，加上芯片周围的温度上升会造成LED的发光峰值波长移动、荧光体的发光效率降低、周围材料劣化等问题，因此封装整体的散热设计成为高功率LED不可或缺的一环。图11是Heat Sink Type Stem上方mount 1mm正方的近紫外LED的外观图，该LED的顺向电流500mA时的光输出为190mW，发光峰值波长为384mm,50500mA时的发光峰值波长移动低于0.5nm，图12是封装荧光体时的点灯外观。树脂MouldLED密封树脂的现况LED依照封装外形可分为表面封装型与炮弹型两种，以往是以炮弹型为主流，之后由于小型化的需求，造成表面封装型的需求逐渐增加，不过最近基于大电流与散热结构等考量，因此出现所谓的大型封装技术。表面封装型又可分为利用transfer mould，将设于印刷基板上的组件与金线密封(照片1-)方式，与利用reflector形成lead frame方式(照片1-、1-)两大类。照片1 商品化的LED种类与结构透明液状环氧树脂LED常用的透明环氧树脂主要是利用酸无水物硬化效应，主剂与硬化剂两液使用前必需均匀混合才能使用，主剂成份是Epoxy Oligomer、粘度调整剂、着色剂等等；硬化剂成份是酸无水物与触媒量硬化促进剂，虽然硬化物性会随着主剂与硬化剂的配合比改变，不过一般是设计成当量比为1:1，就可获得最适宜的物性。图13是LED用透明环氧树脂主成份的构造式。一般而言所谓的Epoxy Oligomer是以Bis-Phenol A Glycigeru Ather与Bis-Phenol F Type为主，此外为防止玻璃转移点变高、树脂变色，所以添加脂环式Epoxy。图13 LED封装用环氧树脂的成份结构式虽然有许多硬化剂与硬化促进剂可供环氧树脂选择，不过应用在LED的密封必需是透明状硬化物，因此硬化剂的使用受到相当程度的限制，例如酸无水物通常会选用MeHHPA或是HHPA；硬化促进剂则以Amine系、Imidazol、Lin系为主，不过实际成份则是各厂商的know how。如上所述环氧树脂含有许多成份，所以它的反应结构非常复杂。图14是使用Amine系硬化剂的酸无水物硬化反应结构。图14 酸无水物硬化环氧树脂的反应结构Transfer Mould树脂所谓的Transfer Mould如照片1-所示，它是在印刷基板上以环氧树脂密封LED的方法，具体而言它是由B stage的Epoxy树脂固态Tablet，与低压Transfer所构成，由于模具精度极高加上硬化时间很短，因此Transfer Mould方式适合短时间大量生产，不过初期必需投资大型Transfer与模具。Silicon树脂利用Silicon树脂密封LED的情况非常少，因此Silicon树脂的使用量也非常低。目前市面上部份1mm正方大型芯片的白光LED，以及基于树脂应力会降低半导体性能等考量，才会使用Silicon树脂当作封装材料。事实上LED封装用Silicon树脂，属于silicon resin化silicon gel，它的化学结构为Dimethyl Siloxane的重合体，1.4的折射率远比折射率为1.5的环氧树脂低，而且Silicon树脂与组件、LeadFame的附着性也不如环氧树脂，造成取光效率偏低成为是Silicon树脂最大的缺点 。有关折射率的改善一般是在Siloxane格子内添加Phenyl基，如此便可将折射率 提高至1.5左右。白光LED用Mould材料环氧树脂的紫外线劣化如上所述LED封装用环氧树脂主要成份是Bis-Phenol A Glycigeru Ather，虽然环氧树脂含有可吸收紫外线的芳香族，不过Bis-Phenol A Glycigeru Ather吸收紫外线之后，会氧化产生Carbonyl基并形成发色团造成树脂变色(图15)，此外环氧树脂遇热后也会变色，进而造成端波长领域的穿透率下跌，该现象对蓝光与白光LED发光光度影响极大，不过对红光LED尚未构成问题。笔者以Bis-Phenol A Glycigeru Ather为主要成份，制作LED封装用环氧树脂平板(厚5mm)，并经过72小时热处理，接着再用波长为340nm荧光灯Q-UV Tester，进行紫外线照射实验，其结果如图4所示。虽然环氧树脂的光线穿透率，会随着热处理与紫外线照射降低，尤其在短波长领域穿透率下跌最明显，不过一旦超过600nm范围，穿透率的跌幅就比较少(图16)，换句话说为防止紫外线劣化，未来必需开发不需使用Bis-Phenol A Glycigeru Ather的方法。图15 LED封装用环氧树脂的成份结构式图16 以Bis-Phenol A Glycigeru Ather为主要成份的环氧树脂初期、高温放置、紫外线照射后的光线穿透率。高温放置:1500C 72小时紫外线照射: Q-UV Tester，340nm，550C 300小时树脂平板厚度:5mm一般防止紫外线劣化的方法可分为让紫外线完全穿透，与利用紫外线吸收剂将紫外线转换成热能排出两种方式，前者单纯利用不会吸收紫外线的材料建构环氧树脂，虽然该方式理论上几乎无法实现，不过若以脂环式环氧树脂与添加氢的Bis-Phenol A Glycigeru Ather等紫外线吸收量较低的材料作为主成份，再与紫外线吸收量较低的硬化促进剂组合，就可以大幅降低树脂本身的紫外线吸收量；后者方式除了如何维持紫外线吸收剂的性能之外，bleed out的蒸散问题也令人担忧。此外为有效将热能排出，因此必需充分确保LED的散热结构，其结果反而造成LED的结构设计受到很大的限制。添水Bis-Phenol A Glycigeru Ather的酸无水硬化物笔者为刻意降低环氧树脂的紫外线吸收，同时基于开发新型树脂等目的，以添水Bis-Phenol A Glycigeru Ather为中心，进行树脂成份调配检讨。首先进行酸无水物硬化系的硬化剂选定作业，虽然硬化促进剂决定树脂的硬化速度，不过大部份的硬化促进剂都具备强大的紫外线吸收能力，因此最后决定选用Mehylhexahydro无水Phtharu酸，藉此探讨硬化促进剂结构，以及硬化剂的紫外线劣化影响。此处使用的硬化促进剂是与Bis-Phenol A Glycigeru Ather，可组合变成透明状硬化物。如表1所示若使用Benzyl Dimethyl Amine时，硬化化不久就会着色，成为唯一的缺失之外，硬化物几乎是完全透明。表1 硬化剂促进剂对初期与紫外线照射后的穿透率影响紫外线照射后依旧能维持高穿透率，而且紫外线劣化最少的是磷系促进剂(9)，使用Tetra Phenyl Phosphene Bromide(7)的case，紫外线劣化非常明显，主要原因是(7)拥挤的四个芳香族环所造成。接着检讨耐热性，Bis-Phenol A Glycigeru Ather(1)广被使用的理由首推芳香族环造成的高热稳定性。为确保密封半导体的树脂能具备焊接与动作时的稳定性，密封树脂具备某种程度的耐热性，已经成为不可或缺性能指针之一。虽然一般的酸无水物硬化的玻璃转移点为1300C，不过添水Bis A的Cyclohexan环的稳定性比芳香族环低，如果单独进行酸无水物硬化时，它的玻璃转移点大约是1000C左右，此时不但会有可靠性的问题，甚至还有发生热变色之虞。此处基于高耐热性等考量，因此将玻璃转移点较大的脂环式环氧树脂(DICELL化学工业)添加于YX8000，并利进行硬化物高温放置试验，根据实验结果证实环氧树脂有变色之虞；此外若添加10wt%CEL2021P，硬化的玻璃转移点可提高至1300C。如图17所示随着CEL2021浓度的增加，初期着色也会随着提高穿透率则稍微降低，不过高温放置后CEL2021的浓度若超过10wt%，穿透率会明显降低黄色度则大幅增加。图17 相较于YX8000，脂环式环氧树脂(CEL2021)的浓度与热色变的关系)图18 图6 添水Bis A酸无水硬化环氧树脂的初期、高温放置后、紫外线照射后的穿透率高温放置1500C，72Hr，树脂板厚5mm紫外线照射:Q-UV Tester，340nm紫外型白光LED用封装树脂环氧树脂接着要素检讨有关氧化防止剂与紫外线吸收剂。虽然利用氧化防止剂可以抑制热变色，不过紫外线劣化会增高，添加紫外线吸收剂则会促进热变色，如果添加某种氧化防止剂却可以减少热变色，同时又不会产生紫外线劣化现象。由图18的穿透频谱可知，因热与紫外线所造成的变色可大幅降低。最近几年表面封装型LED的需求不断增加，不过使用酸无水物硬化环氧树脂时，却面临由于酸水物蒸发有发体积收缩之虞。理论上酸无水物硬化比较适合厚度较厚的炮弹型LED，并不适用于涂装较薄的LED。虽然环氧树脂的紫外线cation硬化已经成为目前涂装的主流，然而类似LED具有相当厚度的硬化物，紫外线却无法均匀扩散至所有角落因此未被采用。90年代出现利用热进行活性化的C