LED封裝四大發(fā)展趨勢

LED封裝技術(shù)目前主要往高發(fā)光效率、高可靠性、高散熱能力與薄型化四個(gè)方向發(fā)展，目前主要的亮點(diǎn)有硅基LED和高壓LED，硅基LED之所以引起業(yè)界越來越多的關(guān)注，是因?yàn)樗葌鹘y(tǒng)的藍(lán)寶石基底LED的散熱能力更強(qiáng)，因此功率可做得更大，Cree就重點(diǎn)在發(fā)展硅基LED，它目前存在的主要問題是良率還較低，導(dǎo)致成本還偏高。

　　高壓LED是另一大亮點(diǎn)，它因可大幅縮小DC-DC降壓電路的輸入輸出壓差，而進(jìn)一步提升LED驅(qū)動(dòng)電源的效率，這可有效降低LED燈具對(duì)散熱外殼的要求，從而降低LED燈具的總體成本。目前Cree、Osram和億光都在發(fā)展高壓LED工藝。

　　LED封裝原理

　　LED封裝主要是提供LED芯片一個(gè)平臺(tái)，讓LED芯片有更好的光、電、熱的表現(xiàn)，好的封裝可讓LED有更好的發(fā)光效率與好的散熱環(huán)境，好的散熱環(huán)境進(jìn)而提升LED的使用壽命。LED封裝技術(shù)主要建構(gòu)在五個(gè)主要考慮因素上，分別為光學(xué)取出效率、熱阻、功率耗散、可靠性及性價(jià)比(Lm/$)。

　　以上每一個(gè)因素在封裝中都是相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)，舉例來說，光取出效率關(guān)系到性價(jià)比;熱阻關(guān)系到可靠性及產(chǎn)品壽命;功率耗散關(guān)系到客戶應(yīng)用。整體而言，較佳的封裝技術(shù)就是必須要兼顧每一點(diǎn)，但最重要的是要站在客戶立場思考，能滿足并超出客戶需求，就是好的封裝。

　　針對(duì)LED的封裝材料組成，林治民詳細(xì)解說道，LED封裝主要是由基板、芯片、固晶膠、熒光粉、封裝膠等組成，我們先將芯片利用固晶膠黏貼于基板上，使用金線將芯片與基板作電性連接，然后將熒光粉與封裝膠混合，搭配不同熒光粉比例，以及適當(dāng)?shù)男酒ㄩL可得到不同的顏色，最后將熒光粉與封裝膠的混合體灌入基板中，加熱烘烤使膠材固化后，即完成最基本的LED封裝。

　　他并指出，LED封裝技術(shù)主要是往高發(fā)光效率、高可靠性、高散熱能力與薄型化發(fā)展。從芯片來看，目前最普遍的是水平式芯片, 比較高端的廠商則研發(fā)垂直式芯片與覆晶型芯片，原先水平式LED使用藍(lán)寶石基板，散熱能力較差，且在高電流驅(qū)動(dòng)下，光取出效率下降幅度也較大。因此，為了降低LED成本，高電流密度的芯片設(shè)計(jì)便以獲取更多的光輸出為主要研究方向，在這樣的考慮下，使用垂直式封裝的芯片便成為下一課題，此類芯片使用硅等高散熱基板，在高電流操作下有更好的散熱效率，所以也有更高的光輸出，但由于制作流程復(fù)雜，工藝良率過低，以致于無法達(dá)到理想的高性價(jià)比，由此可知，在高瓦數(shù)封裝上，工藝良率所導(dǎo)致的價(jià)格因素也是一大考慮。

　　臺(tái)積電子公司采鈺科技便是專攻晶圓級(jí)高功率LED硅基封裝技術(shù)的業(yè)者。該公司在2010年已打入中國路燈市場，2011年更將重心放在室內(nèi)照明球泡燈產(chǎn)品上。采鈺科技LED技術(shù)研發(fā)處長李豫華表示，以8吋磊晶計(jì)算，目前采鈺封裝產(chǎn)能為單月2千片、相當(dāng)于400萬顆，去年產(chǎn)品成功打入中國路燈產(chǎn)品，量大的時(shí)候甚至單月出貨量高達(dá)70-80萬顆。

　　與一般臺(tái)灣LED封裝廠商采用的氧化鋁(藍(lán)寶石)基板技術(shù)不同，采鈺采用的是晶圓級(jí)LED硅基封裝技術(shù)，采鈺李豫華表示，硅基封裝LED在散熱方面優(yōu)于藍(lán)寶石基板，但目前售價(jià)也高于藍(lán)寶石基板的產(chǎn)品，不過，李豫華認(rèn)為在今年內(nèi)，采鈺硅基封裝與藍(lán)寶石基板產(chǎn)品的價(jià)格將趨于一致，采鈺更訂下目標(biāo)，希望每年成本下降幅度可達(dá)到30%。

　　硅基板的良率尚低

　　硅基板的最大訴求為導(dǎo)熱更佳，李豫華進(jìn)一步指出，次世代照明的LED封裝需求最重要的就是散熱問題，估計(jì)熱的問題5年內(nèi)難解，其次則是需要強(qiáng)而有力的結(jié)構(gòu)體和穩(wěn)定可靠的材料。另外光的表現(xiàn)也很重要，像均勻性、光源強(qiáng)度、出光效率是否更優(yōu)異以及光的型式表現(xiàn)，最后就是量產(chǎn)和成本方面的管理。

　　LED封裝在這30年的演進(jìn)，最大的特色就是尺寸愈來愈小，因此熱效應(yīng)問題在輸入驅(qū)動(dòng)電流較高時(shí)便凸顯出來。也就是說，現(xiàn)在高功率LED需求愈來愈大，當(dāng)放進(jìn)小顆LED并將電源灌入后，熱量便會(huì)產(chǎn)生，為了要降低熱，光的亮度就會(huì)減小，這時(shí)為了要增加亮度，又得導(dǎo)入更高的電流，高電流又會(huì)產(chǎn)生更多的熱，如此成為一個(gè)循環(huán)，熱量就不斷增加。接合溫度過高，結(jié)果便是每升高20℃，LED效能就要降低5%(或每增加1℃，效能降0.25%)。

　　LED產(chǎn)生的90%熱量都是向下走，因此封裝技術(shù)中，散熱十分重要。整體而言，可供選擇的高功率LED次安裝基臺(tái)(sub-mount)材料有陶瓷(氧化鋁、氮化鋁)和硅。其中，鋁基板有翹曲問題，且以導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散來看，硅是最佳選擇。

　　硅基LED封裝工藝流程為：絕緣及金屬層、芯片/金屬線鍵結(jié)及熒光材料涂布、透鏡組裝，再進(jìn)行切割與測試。使用硅晶圓方法可以藉以控制穿孔型式(單一或多重)，因而增加光萃取率，這是陶瓷基板所做不到的。李豫華并特別指出采鈺獨(dú)家的IC制造兼容晶圓級(jí)熒光粉涂布技術(shù)，可以在LED芯片最上層造就薄而高效能的熒光粉出光層，可改善黃暈現(xiàn)象，且此技術(shù)可控制色溫的一致性。

　　另外，半球形鏡頭為以光學(xué)設(shè)計(jì)方式增加出光率的方法之一，也是采鈺獨(dú)家設(shè)計(jì)的晶圓級(jí)產(chǎn)品，鏡頭設(shè)計(jì)符合各種出光形式的需求。此外，利用不同材料的折射率不同，由內(nèi)而外愈來愈小，亦可控制出光路徑使其出光率增加，此結(jié)構(gòu)模式可改善出光率逾7%。再者，藉由熒光粉補(bǔ)償過程可以達(dá)到緊密的色溫控制，因而良率可獲得提升，使原本低于70%的良率，經(jīng)由補(bǔ)償可以提升超過95%。目前采鈺的LED硅基封裝成品已經(jīng)在多處導(dǎo)入，包括大陸秦皇島、大陸京沈高速公路匝道的LED路燈及新竹清華大學(xué)校園等。

　　不過，LED硅基封裝仍有許多技術(shù)上面臨的挑戰(zhàn)需要克服，例如材料方面，硅材有容易碎裂的缺點(diǎn)，且機(jī)構(gòu)強(qiáng)度也是問題所在。熒光粉則需考慮其電子亮度和熱及濕阻抗。另外，鏡頭的折射率及熱穩(wěn)定度、粘著性等都是考慮點(diǎn)。結(jié)構(gòu)方面，絕緣層、金屬層都有其挑戰(zhàn)。

　　采鈺專攻LED照明，目前并沒有跨入LED大尺寸背光源的計(jì)劃。在2012年臺(tái)灣、日本、美國、加拿大將開始禁用白熾燈泡的政策下，采鈺認(rèn)為，2011年第3季LED暖白色球泡燈銷售量將爆發(fā)性成長，公司也將球泡燈產(chǎn)品列入今年的發(fā)展重點(diǎn)。