改进封装技术_提高led光通量

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1、1改进封装技术改进封装技术 提高提高 HB LED 光通量光通量毫无疑问，这个世界需要高亮度发光二极管（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（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，且有较高的抗外力性。 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

2、 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、交通信号灯、信息广告牌、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

3、 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（高功率、高用电） ，进出 LED 的电流值持续在增大，倘若不能良好散热，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。 裸晶层：裸晶层：

4、“量子井、多量子井量子井、多量子井”提升提升“光转效率光转效率”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 152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。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

5、，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。 “换料改构、光透光折换料改构、光透光折”拉高拉高“出光效率出光效率”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。方法包 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

6、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，大体都不离两个原则：一、降低遮蔽、增 加光透率。二、强化光折射、反射的利用率。如过去 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） ，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（Distrib

7、uted 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（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。 封装层：抗老化黄光、透光率保卫战封装层：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） ，第一步是封装材质。过去 LED 最常用的是环氧树脂（epo

8、xy） ，但 环氧树脂老化后会逐渐变黄，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） ，例如 美国 Lumileds 公司的 Luxeon 系列 LED 即是改采硅封胶。不只是 Lumileds Luxeon，其它业者也都有硅胶方案， 如通用电气.东芝公司的 InvisiSi1，东丽道康宁的 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2保护，此

9、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，将折射率降 至 1.41，即便是 300nm 波长也能维持 95的光透性。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的水平。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，如日本京瓷（Kyocera）提出的陶瓷封装，都是为了抗老 化而提

10、出，其中陶瓷也有较佳的耐热效果。 封装层：透镜的透射封装层：透镜的透射 反射杯的反射、折射反射杯的反射、折射在用胶封装完后，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）及表面黏着技术 （Surface-Mount Technology） 。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。若是作为穿孔性焊接 的状态指示灯则只要

11、采行灯泡（Lamp）型态的封装（俗称成“炮弹型”） ，即便是此也还有透镜型态（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？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）作侧边入光式的背光、Dome 作为小 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

12、 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，此方面常见的做法有四： 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、S

13、ide 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。就技术难易来说，只用上透镜的 Axial lens、Flat lens 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、发散都要考虑，还要考虑反射、折射以及光束收敛，更加复杂。材质方面，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（Polycarbon

14、ate） 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、圣诞树） ，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。 结语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（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 c h romium） 、多溴联苯（PolyBrominated Biphenyls；PBB）

15、 、多溴联苯醚（PolyBrominated Diphenyl Ether；PBDE）等环境有害物，此外 WEEE（废弃电子电机设备指令）等其它相关法规也必须遵守。前面我们也已经简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，无论是否高亮度，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课 题，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课题！