使用不同封装技术 强化LED元件的应用优势.doc

LED具备环保、寿命长、体积小、高指向性、固态形式不易损坏.等优点，已逐渐取代传统钨丝灯(白炽灯)、CCFL荧光灯，但在因应不同应用需求时，仍有发光效率、光型、散热与成本等诸多问题，为使产品更能满足需求，必须从LED组件端的封装形式着手改善.LED因为材料特性与发光原理异于传统光源，因此具备多项使用上的优势，只是用于取代一般日常应用的光源时，LED固态的发光组件仍需要多重设计与改善，才能在发光效率、演色性、照明光型、电源效能等方面获得强化，以通过照明应用市场的考验。在通用照明(General Lighting)市场中，LED固态照明想要加速普及，必须在短期内让组件成本、制作技术、验证标准.等层面一一到位，技术方面要提升色温表现、演 色性与光电转换效率，从照明系统的角度进行思考，仍须解决LED光源、AC/DC电源转换、LED驱动控制、组件散热和光学处理等关键面向。注释：特殊封装之LED组件，可因应不同照明产品需求进行优化设计，图为Osram两款针对照明应用设计的LED组件模块。薄膜芯片封装技术 发展照明应用的重点LED的光源应用，其关键就在芯片技术的核心发展，而影响LED组件发光特性、效率的关键就在于基底材料与晶圆生长技术的差异。在LED的基底材料方面，除传统蓝宝石基底材料外，硅(Si)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN).等，都是目前LED组件的开发 重点，无论所发展的光源应用是照明或是营造气氛的环境光源，涵盖大、小功率应用方式，芯片基底的技术提升，其目标在于制作出更高效率、更稳定的LED晶 片。提高LED芯片的光电效率，已成为LED照明应用技术的关键指标，例如，藉由芯片结构的改变、芯片表面的粗化设计、多量子阱结构的设计形式，透过多重的制程技术改良，目前已能让单个LED芯片的发光效率具有突破性的进展。而薄膜芯片技术(Thin film LED)，则是用以开发高亮度LED芯片的关键技术， 其重点在减少芯片的侧向光损失，透过底部的反射面搭配，可以让芯片超过97%的电光反应，使光从芯片的正面直接输出，大幅提高LED单位流明。强化封装技术 改善发光效率与光型观察目前常见的高功率LED封装技术，大致可分为单颗芯片封装、多芯片整合封装与芯片板上封装3种技术，而透过封装技术的优化，可提升LED芯片的发光效率、散热效果与产品可靠度。在单颗芯片封装方面，可让单颗LED芯片大幅发挥照明优势，例如，针对发光效率的改善、散热热阻抗的调整，或是制成易于产线生产组装的SMT形式。单颗芯片 的封装形式，于LED发光二极管最为常见，其技术瓶颈在于必须针对每个芯片进行良率控管，因为采单芯片封装，若封装处理的芯片本身就已损坏或效率不彰，封 装成品也会呈现相同的料件问题，另在封装阶段亦可透过荧光粉体的封装处理，去改善最终产品的输出色温或光型。注释：SMT形式的LED组件可透过填胶材质与形式变化，产生多元的产品特性。图为PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)形式之SMT LED。以Osram的 Golden DRAGON Plus LED为例，为采硅胶封填设计，封装后的LED组件具170度光束角度，可以很容易地进行2次光学透镜或是反光杯改善组件的光学特性，Golden DRAGON Plus LED的硅胶透镜亦具耐高温、光衰减较低等特性。单芯片封装的优势相当多，尤其在光效率提升、散热效益提升与配光容易度、组件的高可靠性都相当值得关注。多芯片整合封装 小体积可具高光通量表现所谓团结力量大，在LED组件封装上亦是如此，如果一次将多LED芯片封装在同一平面上，则可整合出一高功率整合组件。多芯片整合组件同时是目前常见的高功率、高亮度应用LED组件最常见的封装形式，可区分为小功率与大功率两种芯片整合形式。在小功率应用方面，多数是采取6颗低功率LED芯片整合，制作出来的1瓦大功率LED固态发光组件最常见，而利用6个低功率芯片来整合的1瓦大功率应用，优 势在于制作成本相对更低，而且多颗形式若有芯片来源的良率问题，也可利用周边芯片补足应有的性能表现，不至于出现产品良率的负面问题，小功率整合的多芯片 封装形式，也是目前大功率LED组件常见的制作形式。而在大功率芯片整合部分，以Osram的OSTAR SMT系列为例，其封装外型经过优化设计，占位体积相对小，最终组件可让产品的热阻抗控制于每瓦3.1左右，驱动功率亦高达15瓦，此种封装设计有颇多优点，尤其可在受限空间内达到一般LED组件少有的高光通量表现。Chip On Board可有效改善散热问题COB(Chip On Board) LED多晶灯板，为沿用传统半导体技术发展的应用形式，意即直接将LED芯片固定于印刷电路板(PCB)，COB技术目前已有厚度仅0.3mm的LED元 件设计。由于LED芯片可直接与PCB板接触来增加热传导面积，因此LED固态光源常见的散热问题也可因此获得改善。将多数 LED组件安排于印刷电路板形成多重LED光源组合，可以提升LED固态光源的照明度，低功率驱动的组件通常会应用核心材料为FR4的一般印刷电路板来进 行产品的2次组构，在因应高功率驱动应用时，则会改采以金属核心PCB强化LED组件需要的高散热环境，藉由金属核心PCB来降低热阻抗。金属核心PCB即为使用MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board)，使组件能满足较低热阻的设计要求，典型的MCPCB设计架构是在金属平面形成的线路同时以薄层进行隔离设计，而电路走线必须采用镍金属化合 物提供产线可焊接的加工表面，隔离层又必须具备避免短路、同时不会牺牲散热速率的薄化设计，以便将热传导过程的热阻降到最低。多数选择铝材料作为核心，具 有成本低廉、散热能力佳与较好的抗腐蚀性等优点。比