高亮度LED之封装光通原理技术分析.doc

高亮度LED之封装光通原理技术分析毫无疑问的，这个世界需要高亮度发光二极管（High Brightness Light-Emitting Diode；HB LED），不仅是高亮度的白光LED（HB WLED），也包括高亮度的各色LED，且从现在起的未来更是积极努力与需要超高亮度的LED（Ultra High Brightness LED，简称：UHD LED）。用LED背光取代手持装置原有的EL背光、CCFL背光，不仅电路设计更简洁容易，且有较高的外力抗受性。用LED背光取代液晶电视原有的CCFL背光，不仅更环保而且显示更逼真亮丽。用LED照明取代白光灯、卤素灯等照明，不仅更光亮省电，使用也更长效，且点亮反应更快，用于煞车灯时能减少后车追撞率。所以，LED从过去只能用在电子装置的状态指示灯，进步到成为液晶显示的背光，再扩展到电子照明及公众显示，如车用灯、交通号志灯、看板讯息跑马灯、大型影视墙，甚至是投影机内的照明等，其应用仍在持续延伸。更重要的是，LED的亮度效率就如同摩尔定律（Moores Law）一样，每24个月提升一倍，过去认为白光LED只能用来取代过于耗电的白炽灯、卤素灯，即发光效率在1030lm/W内的层次，然而在白光LED突破60lm/W甚至达100lm/W后，就连荧光灯、高压气体放电灯等也开始感受到威胁。虽然LED持续增强亮度及发光效率，但除了最核心的荧光质、混光等专利技术外，对封装来说也将是愈来愈大的挑战，且是双重难题的挑战，一方面封装必须让LED有最大的取光率、最高的光通量，使光折损降至最低，同时还要注重光的发散角度、光均性、与导光板的搭配性。另一方面，封装必须让LED有最佳的散热性，特别是HB（高亮度）几乎意味着HP（High Power，高功率、高用电），进出LED的电流值持续在增大，倘若不能良善散热，则不仅会使LED的亮度减弱，还会缩短LED的使用寿命。所以，持续追求高亮度的LED，其使用的封装技术若没有对应的强化提升，那么高亮度表现也会因此打折，因此本文将针对HB LED的封装技术进行更多讨论，包括光通方面的讨论，也包括热导方面的讨论。附注：大陆方面称为发光二极管。附注：一般而言，HB LED多指8lm/W（每瓦8流明）以上的发光效率。附注：一般而言，HP LED多指用电1W（瓦）以上，功耗瓦数以顺向导通电压乘以顺向导通电流（VfIf，fforward）求得。裸晶层：量子井、多量子井提升光转效率虽然本文主要在谈论LED封装对光通量的强化，但在此也不得不先说明更深层核心的裸晶部分，毕竟裸晶结构的改善也能使光通量大幅提升。首先是强化光转效率，这也是最根源之道，现有LED的每瓦用电中，仅有1520被转化成光能，其余都被转化成热能并消散掉（废热），而提升此一转换效率的重点就在p-n接面（p-n junction）上，p-n接面是LED主要的发光发热位置，透过p-n接面的结构设计改变可提升转化效率。 此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .量子井（Quantum Well；QW）的结构图。（郭长佑制图）关于此，目前多是在p-n接面上开凿量子井（Quantum Well；QW），以此来提升用电转换成光能的比例，更进一步的也将朝更多的开凿数来努力，即是多量子井（Multiple Quantum Well；MQW）技术。裸晶层：换料改构、光透光折拉高出光效率如果光转效率难再要求，进一步的就必须从出光效率的层面下手，此层面的作法相当多，依据不同的化合材料也有不同，目前HB LED较常使用的两种化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN，前者用来产生高亮度的橘红、橙、黄、绿光，后者GaN用来产生绿、翠绿、蓝光，以及用InGaN产生近紫外线、蓝绿、蓝光。至于作法有哪些？这包括改变实体几何结构（横向转成垂直）、换用基板（substrate，也称：衬底）的材料、加入新的材料层、改变材料层的接合方式、不同的材料表面处理等。不过，无论如何变化，大体都不脱两个要则：一、降低遮蔽、增加光透率。二、强化光折射、反射的利用率。举例来说，过去AlGaInP的LED，其基板所用的材料为GaAs，然黑色表面的GaAs使p-n接面散发出的光有一半被遮挡吸收，造成光能的浪费，因此改用透明的GaP材料来做基板。又如日本日亚化学工业（Nichia）在GaN的LED中，将p型电极（p type）部分做成网纹状（Mesh Pattern），以此来增加p极的透明度，减少光阻碍同时提升光透量。至于增加折反射上，在AlGaInP的结构中增加一层DBR（Distributed Bragg Reflector）反射层，将另一边的光源折向同一边。GaN方面则将基板材料换成蓝宝石（Sapphire，Al2O3，三氧化二铝）来增加反射，同时将基板表面设计成凹凸纹状，藉此增加光反射后的散射角度，进而使取光率提升。或如德国欧司朗（OSRAM）使用SiC材料的基板，并将基板设计成斜面，也有助于增加反射，或加入银质、铝质的金属镜射层。此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .亮度提升的LED已经跨足到公众场合的号志应用，此为国内工地外围的交通方向指示灯，即是用HB LED所组构成。（郭长佑摄影）附注：AlGaInP（磷化铝镓铟）也称为四元发光材料，即是以Al、Ga、In、P四种元素化合而成。附注：在一般的图形结构解说时，p-n接面也称为发光层，emitting layer或active layer、active region。附注：除了减少光遮、增加反射外，有时换用不同技术的用意是在于规避其它业者已申请的专利。 此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .各种AlGaInP LED的发光效能强化法，由左至右为技术先进度的差别，最左为最基础标准的LED几何结构，接着开始加入DBR（Distributed Bragg Reflector）反射层，再来是有DBR后再加入电流局限（Current Blocking）技术，而最右为晶元光电的OMA（Omni-directional Mirror Adherence）全方位镜面接合技术，该技术也将基板材质从GaAs换成Si。（图片来源：晶元光电）对GaN、InGaN化合材料的LED而言，也有其自有的一套制程结构光通强化法，以德国OSRAM来说，1999年还在使用标准结构，2002年就进展到ATON结构，2003年换成更佳的NOTA结构，2005年则是ThinGaN结构。（图片来源：晶元光电）此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .封装层：抗老化黄光、透光率保卫战从裸晶层面努力增加光亮后，接着就正式从封装层面接手，务使光通维持最高、光衰减至最少。要有高的流明保持率（Transmittance，透光率、穿透率，以百分比单位表示），第一步是封装材质，过去LED最常用的是环氧树脂（epoxy），不过环氧树脂老化后会逐渐变黄（因苯环成份），进而影响光亮颜色，尤其波长愈低时老化愈快，特别是部分WLED使用近紫外线（Near ultraviolet）发光，与其它可见光相比其波长又更低，老化更快。新的提案是用硅树脂（silicone）换替环氧树脂，例如美国Lumileds公司的Luxeon系列LED即是改采硅封胶。使用硅胶的不只是Lumileds Luxeon，其它业者也都有硅胶方案，如通用电气东芝（GE Toshiba）公司的InvisiSi1，东丽道康宁（Dow Coring Toray）的SR 7010等也都是LED的硅胶封装方案。硅胶除了对低波长有较佳的抗受性、较不易老化外，硅胶阻隔近紫外线使其不外泄也是对人体健康的一种保护，此外硅胶的光透率、折射率、耐热性都很理想，GE Toshiba的InvisiSi1具有高达1.51.53的折射率，波长范畴在350nm800nm间的光透率达95，且波长低至300nm时仍有7580的光透，或者与折射率进行取舍，将折射率降至1.41，如此即便是300nm波长也能维持95的光透性。同样的，Dow Coring Toray的SR 7010在405nm波长以上时光透率达99，且硬化处理后折射率亦有1.51，另外耐热上也都能达180200的水准，关于热的问题我们在此暂不讨论。此外，也有业者提出所谓的无树脂封装，即是用玻璃来作为外套保护，或如日本京瓷（Kyocera）提出的陶瓷封装，都是为了抗老化而提出，其中陶瓷也有较佳的耐热效果。此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .Lumileds Lighting公司的Luxeon系列LED（InGaN）的横切面图，从图中可知Luxeon用硅封装进行裸晶防护，而非传统的环氧树脂。（图片来源：L）随着使用时间的增长，LED的光通量也会逐渐降低，图中是两个LED的寿命光通量曲线比较，下方蓝色线为一般5mm的WLED指示灯，上方红色线则是高功率LED照明灯。（图片来源：L）此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .附注：另一个加速环氧树脂老化变黄的因素来自温度，高温会加速老化。封装层：透镜的透射反射杯的反射、折射前述的封装主要在于保护LED裸晶，并在保护之余尽可能让光热忠实向外传递，接下来还是在封装层面，不过不再是内覆的Resin部分，而是外盖的Lens部分。在用胶封装完后，依据LED的不同用途会有各种不同的接续作法，例如做成一个一个的独立封装组件，过去最典型的单颗LED指示灯即是如此，另一种则是将多个LED并成一个整体性组件，如七段显示器、点阵型显示器等。此外焊接脚位方面也有两种区分，即穿孔技术（Through-Hole Technology；THT）及表面黏着技术（Surface-Mount Technology；SMT）。在此暂且不谈论群集性的七段显示器、点阵型显示器，而就逐一独立、分离、离散性的封装来说，也要因应不同的应用而有不同的封装外观，若是与过往LED相同是做为穿孔性焊接的状态指示灯则只要采行灯泡（Lamp）型态的封装（今日也多俗称成炮弹型），即便确定是此型也还有透镜型态（Lens Type）的区别，如典型Lamp、卵椭圆Oval、超卵椭圆Super Oval、平直Flat等。而若是表面黏着型，也有顶视Top View、边视Side View、圆顶Dome等。为何要有各种不同的透镜外型？其实也有各自的应用需求，就一般而言，Lamp用来做指示灯号、Oval用于户外标示或号志、Top View用来做直落式的背光、Flat与Side View配合导光板（Guide Plate：LGP）做侧边入光式的背光、Dome做为小型照明灯泡、小型闪光灯等。外型不同、应用不同，发光的可视角度（View Angle）也就不同，此部分也就再次考验封装设计，运用不同的设计方式，可以获得不同的发光角度、光强度、光通量，此方面常见的作法有四：中轴透镜Axial lens、平直透镜Flat lens、反射杯Reflective cup、岛块反射杯Reflective cup by island。一般的Lamp用的即是中轴透镜法，Dome及Oval/Super Oval等也类似，但Oval/Super Oval的光亮比Lamp更集中在轴向的小角度内。而Flat则是用平直透镜法，好处是光视角比中轴透镜法更大，但缺点是光通量降低、光强度减弱。至于Top View、Side View等则多用反射杯或岛块反射杯，此作法是在封装内加入反射镜，对部分发散角度的光束进行反射、折射等收敛动作，使角度与光强度能取得平衡。 此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .日亚化学工业（Nichia）的5mm白光LED，图中可见炮弹（Lamp）型封装内部也使用碗状的反射杯（Reflective cup）设计来强化光照角度及强度。（图片来源：Ledstyles.de）就技术难易来说，只用上透镜的Axial lens、Flat lens确实较为简易，只要考虑透射与光束发散性，相对的有Reflective cup就不同了，原有的透射、发散一样要考虑，还要追加考虑反射、折射以及光束收敛，确实更加复杂。还有，我们还没讨论材质，透镜部分除了可持续用原有的覆胶材质外也可以改用其它材质，因为透镜已较为讲究光透而较不讲究裸晶防护，如此还可采行塑料（Plastic）、压克力（Acrylic）、玻璃（Glass）、聚碳酸酯（Polycarbonate）等，且如之前所述，光透性与波长有关，不同波长光透度不同，再加上有不同的材质可选择，甚至要为透镜上色，好增加光色的对比度，或视应用场合的装饰效果（玩具、耶诞树），还有前面的透镜、反射杯等几何设计等，以上种种构成了LED光通上的第四道课题。附注：今日有的LED也在Lamp型封装内使用反射杯技术。结尾最后，HB LED被人强调为绿色照明，言下之意环保是其很大的诉求点，所以不仅要无铅（Pb Free）封装，还要合乎今日欧洲RoHS（Restriction of Hazardous Substances Directive，限用危害物质指令）的法令规范，无论封装与LED整体都不能含有汞、镉、六价铬（hexavalent chromium）、多溴联苯（PolyBrominated Biphenyls；PBB）、多溴联苯醚（PolyBrominated Diphenyl Ether；PBDE）等环境有害物，此外WEEE（Waste Electrical and Electronic Equipment directive，废弃电子电机设备指令）等其它相关法规也必须遵守。当然！前面我们也已经约略提到封装物必须能封阻与抗受低波长、紫外光，还要有一定的硬度来抗受机械外力，以及耐热性，此外绝缘、抗静电、抗湿也都必须注意。更重要的是，无论您要不要高亮度，都必须尽可能将光亮导出，因为，若不能忠实导出光能，光能在封装层内被吸收，就会转化成热能，为封装上的散热问题又添一项顾虑因素，事实上LED的热若不能顺利排解与降低，成为热负荷，反过来一样要伤害LED本体，包括亮度也会受到影响，因此，达到最佳、最理想的光通，是封装设计必然要重视的一课！此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .Lambda Research Corporation的OSLO是专门用来设计透镜的软件，图为OSLO EDU Edition（教育版）Revision 6.4.1，且已开启透镜数据库中的某一设计模板：8mm、0.5 NA的雷射二极管准直仪，图右下部分为其光射线的轨迹分析。反射式高亮度LED带动液晶投影机变革近年來，電視機市場逐步轉變成為數位電視、前投式電視、背投式電視類的大型電視市場。這類投射型電視的顯示器使用的光源，無一例外的都是超高壓水銀燈，超高壓水銀燈在照明時，為了把蒸汽壓控制在200大氣壓左右而使用了大量的水銀。眾所周知，水銀的危害很大，為防止造成公害，避免使用水銀，目前尋找其替代品的開發研究很多，但是水銀是確保照明發光功率的必要條件，實在很難找到其他方便且適用的替代品。不過，照明時伴隨電流增大造成的電極消耗，高電壓和高費用，燈的使用壽命等問題又不得不解決，目前無水銀燈僅限於惰性氣體照明燈，和微波照明式的無電極燈。另一方面，2000年後，因為LED的功率提高，它作為小型鹵素燈的替代光源受到了世人的矚目。此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .CES 2006展覽上以LED為光源的液晶投影機首度被發表從2006年初開始，以發光二極體為光源的液晶投影機相繼被發表，用以來代替傳統超高壓水銀燈的R（紅色）、G（綠色）、B（藍色）三色發光二極體（LED）作為光源後，業者便積極的設計出小型且以電池驅動前投式液晶投影機，而且使用發光二極體作為光源的背投式液晶投影機，色彩表現範圍也超出100的NTSC比。2006年1月，在美國拉斯維加斯召開的CES 2006上，利用LED為光源的液晶投影機首度公開，因此，在此之前一直處於秘密研發狀態的各大業者，隨後便向市場陸續公開研製的發光二極體光源背投式液晶投影機。此外，為了開發出更具特色的產品，以半導體雷射為光源的液晶投影機，也在積極地進行研發中，可以預見的是，隨著光源的不斷變化，液晶投影機也將發生巨大變革。其實，因為發光二極體具有很多優點，利用LED為液晶投影機光源的想法，從很早以前就有業者開始投入開發，例如，可以達到小型化、電池驅動、擴大色彩表現範圍、延長使用壽命等等的特色。傳統裡，液晶投影機都是使用超高壓水銀燈為光源，但是由於超高壓水銀燈啟動時，需要有數10KV的高壓（照明的瞬間會達到數百KV），因此，燈泡的溫度同時也會達到800900，在這樣的高耗電機構下，就必須使用交流（AC）電源驅動，及複雜的電源電路和必要的散熱解決方案。且因超高壓水銀燈和螢光燈發光的原理是一樣的，所以依靠汞的激勵來產生紫外線而發出高亮光源，因此從點燈開始，達到一定的亮度為時需要一定的啟動時間，而使用完畢關燈後的散熱，也需要耗費很長時間來達到冷卻的狀態。因為這樣的種種不便，液晶投影機相關業者便急需找到一種新的光源來替代超高壓水銀燈。以LED作為光源可大幅度改善性能目前市場上主流的液晶投影機，是將超高壓水銀燈的白色光，特別分離成紅綠藍三種顏色，以達到高色域表現能力，但是，如果可以，能夠把紅綠藍三色光，直接利用可發光光源元件才是未來的發展趨勢。各液晶投影機生產商會投入大量精力到LED液晶投影機的開發上，是因為以發光二極體作為光源，可以具備大幅度性能改善的空間。在過去，LED的發光效率和光通量都不是很充足，尚不具備成為液晶投影機光源的性能。但近年來，隨著性能的大幅度提高，各大業者都認為LED已經具備了可以成為液晶投影機光源的特性，開始進行實際的研發。但在實際應用中不難發現，LED在前投式液晶投影機和背投式液晶投影機中的使用情況並不太一樣。背投式LED液晶投影機的投影表現，雖然不能說已經達到了與背投式超高壓水銀燈液晶投影機相同的水準，但基本上，也達到了同等的亮度。另一方面，因為被期待作為小型化的應用情況，前投式LED液晶投影機在亮度上的障礙就比較小，也不需要為了減小散熱設備和光學系統而大費周章的進行機構設計，所以很容易保持所需要的亮度。 此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .一般高功率LED與反射式LED散熱方式比較。（製圖：盧慶儒）雖然說有這樣的優勢，但相對的，前投式LED液晶投影機的亮度，與前投式超高壓水銀燈液晶投影機相比就差得多，能夠投射出來的亮度只有1020流明，這樣的亮度根本不可能像前投式超高壓水銀燈液晶投影機那樣，在明亮的會議室裏也可清晰的把影像放大到3040吋。大部分的液晶投影機生產者對於前投式LED液晶投影機的銷售模式和前景都感到有一定程度的困難，雖然前投式LED液晶投影機的訴求點是體積小，而且可利用電池供電驅動，但使用時投影效果卻是遠遠比不上傳統的產品，一般的消費者根本不會接受，市場前景似乎是很不明朗。所以有液晶投影機的業者認為，雖然以目前來說，前投式LED液晶投影機馬上就可以投入市場，但因亮度的問題，使得在行銷上還是有一些困難，能夠期待的是，只有當LED液晶投影機的亮度，超過現在的使用超高壓水銀燈時，例如說超過100流明，才會更容易提高消費者對這項產品的接受度。所以目前大多有能力開發LED液晶投影機的業者，在產品投入市場時機上，採取了相當保守的態度。因此，很多液晶投影機業者都相當關心東芝，及較早之前投入市場的其他業者，前投式LED液晶投影機的銷售情況，因為大多後進或準備很多業者投入這一市場的業者，都以東芝及先前進入市場業者的成果作為風向球。會有這樣情況出現的原因是因為，若東芝和其他業者能夠成功，那麼就可以開始推出同類型產品進入市場。但東芝也不是相當大膽且無計劃的成為投式LED液晶投影機市場上的鋒，仔細觀察可以發現，東芝所憑藉的是本身和其他螢幕業者所共同開發的22.5吋折疊式投影螢幕。根據資料顯示，這款折疊式投影螢幕可以抑制外光的反射，也就是說，即使在明亮的場所，例如光線明亮的會議室裡，因為可以達到高對比度而能夠清晰的顯示出投射影像。LED的亮度輸出量仍不能和超高壓水銀燈相比不過，還是必須清醒地認識到這樣一個事實：雖然說因為LED發光效率的提高，每個LED的亮度輸出量和過去相比有相對的提高，但仍然不能和發光功率60流明瓦以上，全光束為10000流明的光源相比。所以當各業者在不遺餘力的進行關於LED光源技術的研究開發的時候，發現與超高壓水銀燈不同的是，如果期望有效的利用LED作為背光源的話，仍舊需要解決相當多的問題，因為每個LED生產業者間細微的技術差別，就會造成產品的亮度等性能出現落差，所以如何有效利用LED，就成了每個液晶投影機生產商面臨的問題。LED不像超高壓水銀燈是點光源，而是面積只有幾個mm大小LED晶片的光，會散射到四面八方，為了聚集這些光，還需要配合包括1吋大小的DMD等元件，這樣的結構設計是相當複雜的，所以，從這方面可以很容易就看出各個業者之間技術能利的高低。為了解決這難題，三洋電機就開發了能更有效聚集LED光線的光學產品，並應用在液晶投影機的機構中，和傳統應用在LED上的普通採光透鏡相比較，這款光學透鏡對光的利用率，經過模擬驗證預計可以達到1.41倍，不過經過實際測量之後，利用率卻是高達到1.34倍，雖然有這麼高的光利用率，但仍舊無法完全將所有從LED散射出來的光都加以有效利用，也就是說，還是有一些光會被浪費或無法透過這個光學元件加以聚集使用。如果為了提高LED液晶投影機的亮度等性能，只是單純從光機引擎上做努力還是不夠的，因為LED本身的改良和性能提高也很重要。很多業者已經意識到了這一點，例如，印度的OSTAR在2005年底發表應用於液晶投影機的LED模組OSTAR，該模組使用了自己生產的LED-ThinGaN。以傳統的架構來說，一般的LED只有50的光會從晶片表面散射出來，但是這款新型的LED卻有97的光都是從晶片表面激發出來，如此一來，就能夠大幅度的提高效率和亮度。OSTAR表示，目前發表的模組產品安裝了4個1mm平方的LED晶片，相當適合0.55吋的顯示元件應用。安裝Optical Collimator透鏡可提高光的利用率因應光通量不足的標準型LED光源，目前可以採用兩種方式來調節光，一種是和傳統的HID光源屬於同一照明系統，想法是，將透鏡裝在焦點上，這樣的結構很簡單，但是效率卻是相當低。另一種是在光源前面安裝Optical Collimator透鏡的方式，而提高光的利用率，這樣的做法事實上比第一種方式的效率高了許多。不過，有一點需要注意的是，對這兩種方式而言，為了提高光調節效率，都必須使用很大的透鏡。反射式LED的基本構造，與傳統的炮彈型LED完全不同（炮彈型LED：把樹脂透鏡安裝在發光元件上，而達到對光的調節），而且也與晶片型LED也不同（晶片型LED：在散熱性能高的電路基板上，配備發光元件再向四周反射光線），反射式LED是把發光元件和反射鏡相對的安裝，發光元件放射出來的光，一旦碰撞到反射面就可以被調節放射到LED外部。只是因為透明樹脂的透光率、反射面的反射率等原因，才會發生一部分光的流失，但是90的光可以有效的利用發射到外部。目前，所有的LED設計都是根據發光元件和反射面相對安裝的結構來完成的，所以必須要讓外形盡可能地變小，而現實高發光效率的目標。但是傳統的封裝LED為了提高利用率，所以在外形上不得不設計的很大。為了得到光輸出功率很大的射線光源，發光元件的大小具有相當性的關鍵。如果期望提高光通量的話，就必須要增加發光元件的大小，才能耐得住用來激發光線的大電流。但另一方面，從光學系統角度來看，卻有發光元件越小，可以提高光的利用效率，這是相當矛盾且必須面對的問題。如果從這一點的定律來看的話，液晶投影機所使用的發光元件，應該儘量的朝向小型化發展，並且必須應用在散熱性較好的封裝型LED上。因為用來作為光輸出量高，且光調節性能高的LED結構，需要依靠簡化散熱電路、擴大搭載發光元件路徑的截面，來確保一定的散熱性能，而在這樣的條件需求下，反射型LED可以說事散熱路徑是最簡單的。 此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 . 一般LED模組與OSTAR的LED模組光取出效率比較。（製圖：盧慶儒）晶片型LED和Optical Collimator透鏡搭配可得高均勻的光線液晶投影機用的光學單元基本上是由晶片型LED和Optical Collimator透鏡構成，光通量可達60流明左右，同時，由於使用了聚光透鏡和右通道，因此可獲得勻稱度相當高的射線光。從LED光學系統方面來看，發光元件、光學透鏡，或透鏡大小間的關係，與光分佈可調性有很大聯繫。使用同樣的透鏡，如果能夠擴大發光元件或加大光分佈角度，那麼一直存在的，軸向發光強度的差異問題就能解決。另一種是，使用反射型LED的光學單元，因為外形形狀較小，所以光分佈特性也很好，在800Ma直流電流供應下，照明的發光強度為紅光330k lx、綠光650k lx、藍光470k lx。但實際應用中，將會變成脈衝照明，需要在發光波形較為穩定的情況下使用會比較好。整體來說，可以應用於液晶投影機的LED光源還需要不斷改進其發光效率和光學系統。目前來講，可以說反射型LED的效率是最高的，並運用很小的空間就能放射射線光的光源。今後，隨著大型、可配備大光束發光元件的反射光學系統，和高效率的合成白色光源的光學系統的研究開發，可以期待更好的成果的出現，LED的應用會越來越廣泛。（參考資料：NE雜誌、日本Optic Device研究所）此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .在1W與3W電力提供下，反射式LED與Optical Collimator透鏡構成的LED分別在每個勢角的亮度比較。（製圖：盧慶儒）散热问题持续困扰高功率白光LED的应用就今天而言，白光LED仍旧存在着发光均一性不佳、封闭材料的寿命不长，而无法发挥白光LED被期待的应用优点。但就需求层面来看，不仅一般的照明用途，随着手机、LCD TV、汽车、医疗等的广泛应用积极的出现，使得最合适开发稳定白光LED的技术研究成果也就相当的被关心。藉由提高芯片面积来增加发光量 期望改善白光LED的发光效率，目前有两大方向，就是提高LED芯片的面积，也就是说，将目前面积为1m的小型芯片，将发光面积提高到10m的以上，藉此增加发光量，或把几个小型芯片一起封装在同一个模块下。虽然，将LED芯片的面积予以大型化，藉此能够获得高多的亮度，但因过大的面积，在应用过程和结果上也会出现适得其反的现象。所以，针对这样的问题，部分LED业者就根据电极构造的改良，和覆晶的构造，在芯片表面进行改良，来达到50lm/W的发光效率。例如在白光LED覆晶封装的部分，由于发光层很接近封装的附近，发光层的光向外部散出时，因此电极不会被遮蔽的优点，但缺点就是所产生的热不容易消散。而并非进行芯片表面改善后，再加上增加芯片面积就绝对可以一口气提升亮度，因为当光从芯片内部向外散射时，芯片中这些改善的部分无法进行反射，所以在取光上会受到一点限制，根据计算，最佳发挥光效率的LED芯片尺寸是在7m左右。利用封装数个小面积LED芯片快速提高发光效率和大面积LED芯片相比，利用小功率LED芯片封装成同一个模块，这样是能够较快达到高亮度的要求，例如，Citizen就将8个小型LED封装在一起，让模块的发光效率达到了60lm/W，堪称是业界的首例。但这样的做法也引发的一些疑虑，因为是将多颗LED封装在同一个模块上，所以在模块中必须置入一些绝缘材料，以免造成LED芯片间的短路情况发生，不过，如此一来就会增加了不少的成本。对此Citizen的解释是，事实上对于成本的影响幅度是相当小的，因为相较于整体的成本比例，这些绝缘材料仅不到百分之一，并因可以利用现有的材料来做绝缘应用，这些绝缘材料不需要重新开发，也不需要增加新的设备来因应。虽然Citizen的解释理论上是合理的，但是，对于较无经验的业者来说，这就是一项挑战，因为无论在良率、研发、生产工程上都是需要予以克服的。当然，还有其它方式可达到提高发光效率的目标，许多业者发现，在LED蓝宝石基板上制作出凹凸不平坦的结构，这样或许可以提高光输出量，所以，有逐渐朝向在芯片表面建立Texture或Photonics结晶的架构。例如德国的OSRAM就是以这样的架构开发出Thin GaN高亮度LED，OSRAM是在InGaN层上形成金属膜，之后再剥离蓝宝石。这样，金属膜就会产生映射的效果而获得更多的光线取出，而根据OSRAM的数据显示，这样的结构可以获得75的光取出效率。 此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .逐渐有业者利用覆晶的构造，来期望达到50lm/W的发光效率，由于发光层很接近封装的附近，发光层的光向外部散出时，因此电极不会被遮蔽。（资料来源：LEDIKO）当然，除了芯片的光取出方面需要做努力外，因为期望能够获得更高的光效率，在封装的部分也是必须做一些改善。事实上，每多增加一道的工程都会对光取出效率带来一些影响，不过，这并不代表着，因为封装的制程就一定会增加更高的光损失，就像日本OMROM所开发的平面光源技术，就能够大幅度的提升光取出效率，这样的结构OMROM是将LED所射出的光线，利用LENS光学系统以及反射光学系统来做控制的，所以OMROM称之为Double reflection 光学系统。利用这样的结构，可将传统炮弹型封装等的LED所造成的光损失，针对封装的广角度反射来获得更高的光效率，更进一步的是，在表面所形成的Mesh上进行加工，而形成双层的反射效果，这样的方式，事实上是可以得到不错的光取出效率控制的。因为这样的特殊设计，这些利用反射效果达到高光取出效率的LED，主要的用途是针对LCD TV背光所应用的。封装材料和荧光材料的重要性增加但如果期望用来作为LCD TV背光应用的话，那么需要克服的问题就会更多了，因为LCD TV的连续使用时间都是长达数个小时，甚至10几个小时，所以，由于这样长时间的使用情况下，拿来作为背光的白光LED就必须拥有不会因为连续使用而产生亮度衰减的情况。目前已发表的高功率的白光LED，它的发光功率是一个低功率白光LED亮度的数十倍，所以期望利用高功率白光LED来代替荧光灯作为照明设备的话，有一个必须克服的困难就是亮度递减的情况。例如，白光LED长时间连续使用1W的电力情况下，会造成连续使用后半段时间的亮度逐渐降低的现象，当然，不是只有高功率白光LED才会出现这样的情况，低功率白光LED也会存在这样的问题，只不过是因为，低功率白光因为应用的产品不同，所以，并不会因此特别突显出这样的困扰。使用的电流愈大，当然所获得的亮度就愈高，这是一般对于LED能够达到高亮度的观念，不过，因为所使用的电流增加，因此所带来的缺点是，封装材料是否能够承受这样的长时间的因为电流所产生的热，也因为这样的连续使用，往往封装材料的热抵抗会降到10k/w以下。高功率LED的发热量是低功率LED的数十倍，因此，会出现随着温度上升，而出现发光功率降低的问题，所以在能够抗热性高封装材料的开发上，就相对显的非常重要。或许在2030lm/W以下的LED，这些问题都不存在，但是，一旦面临60lm/w以上的高发光功率LED的时候，就不得不需要想办法解决的，因为，热效应所带来的影响，绝对不会仅仅只有LED本身，而是会对整体应用产品带来困扰，所以，LED如果能够在这一方面获得解决的话，那么，也可以减轻应用产品本身的散热负担。因此，在面对不断提高电流情况的同时，如何增加抗热能力，也是现阶段的急待被克服的问题，从各方面来看，除了材料本身的问题外，还包括从芯片到封装材料间的抗热性、导热结构、封装材料到PCB板间的抗热性、导热结构，及PCB板的散热结构等，这些都需要作整体性的考量。例如，即使能够解决从芯片到封装材料间的抗热性，但因从封装到PCB板的散热效果不好的话，同样也是造成LED芯片温度的上升，出现发光效率下降的现象。所以，就像是松下就为了解决这样的问题，从2005年开始，便把包括圆形，线形，面型的白光LED，与PCB基板设计成一体，来克服可能因为出现在从封装到PCB板间散热中断的问题。不过，并非所有的业者都像松下一样，把封装材料到PCB板间的抗热性都做了考量，因为各业者的策略关系，有的业者以基板设计的简便为目标，只针对PCB板的散热结构进行改良。有相当多的业者，因为本身不生产LED的关系，所以只能在PCB板做一些研发，但仅此于止还是不够的，所以需要选择散热性良好的白光LED。能让PCB板上的用金属材料，能与白光LED封装中的散热槽紧密连接，完成让具有散热槽设计的高功率白光LED与PCB板连接，达到散热的能力。不过，这样看起来好像只是因为期望达到散热，而把简单的一件事情予以复杂化，到底这样是不是符合成本和进步的概念，以今天的应用层面来说，很难做一个判断，不过，实际上是有一些业者正朝向这方面做考量，例如Citizen在2004年所发表的产品，就是能够从封装上厚度为23mm的散热槽向外散热，提供应用业者能够因为使用了具有散热槽的高功率白光LED，能让PCB板的散热设计得以发挥。封装材料的改变提高白光LED寿命达原先的4倍当然发热的问题不是只会对亮度表现带来影响，同时也会对LED本身的寿命出现挑战，所以在这一部份，LED不断的开发出封装材料来因应，持续提高中的LED亮度所产生的影响。过去用来作为封装材料的环氧树脂，耐热性比较差，可能会出现的情况是，在LED芯片本身的寿命到达前，环氧树脂就已经出现变色的情况，因此，为了提高散热性，而必须让更多的电流获得释放，这一个架构这是相当的重要。除此之外，不仅因为热现象会对环氧树脂产生影样，甚至短波长也会对环氧树脂造成一些问题，这是因为白光LED发光光谱中，也包含了短波长的光线，而环氧树脂却相当容易被白光LED中的短波长光线破坏，即使低功率的白光LED就已经会让造成环氧树脂的破坏，更何况高功率的白光LED所含的短波长的光线更多，那么恶化自然也加速，甚至有些产品在连续点亮后的使用寿命不到5,000小时。所以，与其不断的克服因为旧有封装材料环氧树脂所带来的变色困扰，不如朝向开发新一代的封装材料，或许是不错的选择。目前在解决寿命这一方面的问题，许多LED封装业者都朝向放弃环氧树脂，而改采了硅树脂和陶瓷等作为封装的材料，根据统计，因为改变了封装材料，事实上可以提高LED的寿命。就数据上来看，代替环氧树脂的封装材料硅树脂，就具有较高的耐热性，根据试验，即使是在摄氏150180度的高温，也不会变色的现象，看起来似乎是一个不错的封装材料。因为硅树脂能够分散蓝色和近紫外光，所以与环氧树脂相比，硅树脂可以抑制材料因为电流和短波长光线所带来的劣化现象，而缓和的光穿透率下降的速度。所以，以目前的应用来看，几乎所有的高功率白光LED产品都已经改采硅树脂作为封装的材料，例如，因为短波长的光线所带来的影响部分，相对于波长400450nm的光，环氧树脂约在个位的数百分比左右，但硅树脂对400450nm的光线吸收却不到百分之一，这样的落差，使得在抗短波长方面，硅树脂有着较出色的表现。 此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .OSRAMThin GaN是在InGaN层上形成金属膜，之后再剥离蓝宝石。这样，金属膜就会产生映射的效果而可以获得75的光取出效率。（资料来源：OSRAM）所以，就寿命表现度而言，硅树脂可以达到延长白光LED使用寿命的目标，甚至可以达到4万小时以上的使用寿命，但是，是不是真的适合用来做照明的应用就还有待研究，因为硅树脂是具有弹性的柔软材料，所以在封装的过程中，需要特别注意应用的方式，而来设计出最适当的应用技术。对于未来应用的方面，提高白光LED的光输出效率将会是决胜的关键点。白光LED的生产技术，从过去的蓝色LED和黄色的YAG荧光体的组合，开发出仿真白光的目标，到利用三色混合或者使用GaN材料，开发出白光LED，对于应用来说，已经可以看的出将会朝向更广泛的方向扩展。另外，白光LED的发光效率，这些年已经有了不错的的发展，日本LED照明推进协会目标是，期望能够预计在2009年达到100lm/w的发光效率，而事实上，有相当多的业者都在朝向这方面开发，所以预计在数年内，100lm/w发光效率就能够实际上商业化应用。此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .许多LED封装业者都朝向放弃环氧树脂，而改采了硅树脂和陶瓷等作为封装的材料，藉以提高LED的使用寿命。多元化应用市场潜力下日亚化学积极开发白光半导体雷射由于期望LED达到色纯度较高的白光，及高亮度的要求下，各业者不断的从每一领域加以改善，而达到此一目标，但在成果的进步速度上，看起来仍旧相当的缓慢。因此部分业者开始考虑采用其它的技术，来实现目前业界对于类似白光LED的光亮度要求。在高亮度的蓝、白光LED领域的日亚化学，便是将一部份的研发方向，朝向开发白光雷射做努力。日亚化学是利用与白光LED相同的GaN系材料，来制作半导体雷射，开发出了白光光源，以目前的表现来说，辉度已经能够达到10cd/mm左右，今天的白光LED如果期望达到这个辉度值是相当困难的，即使增加电流期望让亮度增加，但这样将会使得接合点的温度上升，所带来的结果不仅会使整个发光效率降低外，还会浪费相当多不必要的电量。日亚化学所开发的白光半导体雷射，在芯片端不再使荧光体材料，而是将发光部分和白光产生的部分分开处理，日亚化学的雷射半导体所是利用200mw的蓝紫色半导体雷射，发出405nm的波长光线，把蓝色或蓝紫色半导体雷射与光纤的面进行连接，让白光从涂了荧光体材料的光纤另一面发射出来，而在这模块中所产生出来的白光直径仅有1.25mm，这各面积只有相同光量白光LED的1/20，并因所需的耗功不到0.1W，所以，在散热部分也不需要太过于烦恼。虽然看起来在特性的方面是相当的不错，不过实际上还是有一些缺点的，就像在使用寿命上，只有3,000小时左右，再加上价格太贵也是不容易解决事情，或许价格太贵的问题可以花一点时间就可以下降一些，但是以现在30万日圆的水准来看的，要降到3,000甚至300日圆，那就需要10年以上的时间。高亮度LED之封装原理技术浅析过去LED只能拿来做为状态指示灯的时代，其封装散热从来就不是问题，但近年来LED的亮度、功率皆积极提升，并开始用于背光与电子照明等应用后，LED的封装散热问题已悄然浮现。上述的讲法听来有些让人疑惑，今日不是一直强调LED的亮度突破吗？2003年Lumileds Lighting公司Roland Haitz先生依据过去的观察所理出的一个经验性技术推论定律，从1965年第一个商业化的LED开始算，在这30多年的发展中，LED约每18个月24个月可提升一倍的亮度，而在往后的10年内，预计亮度可以再提升20倍，而成本将降至现有的1/10，此也是近年来开始盛行的Haitz定律，且被认为是LED界的Moore（摩尔）定律。依据Haitz定律的推论，亮度达100lm/W（每瓦发出100流明）的LED约在2008年2010年间出现，不过实际的发展似乎已比定律更超前，2006年6月日亚化学工业（Nichia）已经开始提供可达100lm/W白光LED的工程样品，预计年底可正式投入量产。此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 正在读取此图片的详细信息，请稍候 .Haitz定律可说是LED领域界的Moore定律，根据Roland Haitz的表示，过去30多年来LED几乎每1824个月就能提升一倍的发光效率，也因此推估未来的10年（2003年2013年）将会再成长20倍的亮度，但价格将只有现在的1/10。（图片来源：L）不仅亮度不断提升，LED的散热技术也一直在提升，1992年一颗LED的热阻抗（Thermal Resistance）为360/W，之后降至125/W、75/W、15/W，而今已是到了每颗6/W10/W的地步，更简单说，以往LED每消耗1瓦的电能，温度就会增加360，现在则是相同消耗1瓦