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1、改进封装技术 提高HB LED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
2、，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（Moore s 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
3、，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：“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
4、，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15%2%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，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”拉高“出光效率”如果光转效率难再
5、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
6、，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 （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（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S
7、iC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(epoxy)，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
8、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75%80%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 7
9、010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180C200C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出，其中陶瓷也有较佳的耐热效果。封装层：透镜的透射 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 Tec
10、hnology)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、F
11、lat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 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L
12、amp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。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
13、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（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、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
14、、六价铬（hexavalent c h romium）、多漠联苯（PolyBrominated Biphenyls； PBB）、多漠联苯醚（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！
