掌握封裝技術(shù) LED照明設(shè)計(jì)邁大步

　　自從白光發(fā)光二極管(led)于2000年始達(dá)到每瓦15～20流明的水平后，各國就開始積極對(duì)LED投入研發(fā)制造，而相關(guān)市場(chǎng)營銷、技術(shù)評(píng)鑒機(jī)構(gòu)及學(xué)界，則積極對(duì)此極具未來性的產(chǎn)品進(jìn)行譯碼，一探其奧秘及商業(yè)價(jià)值，并陸續(xù)提出負(fù)面疑問或爆炸性的前瞻預(yù)測(cè)。

　　但隨著能源短缺、地球暖化、能源材料價(jià)格上揚(yáng)等因素深受各國政府重視，更加速LED的市場(chǎng)熱度，其二為隨著手機(jī)白色背光源于2003年被廣泛應(yīng)用，隨即奠定藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光LED在市場(chǎng)的價(jià)值，更因LED應(yīng)用在車尾燈可達(dá)到快速反應(yīng)、減少更換及設(shè)計(jì)上增加工業(yè)產(chǎn)品美學(xué)的新思維，漸漸開拓另一個(gè)市場(chǎng)應(yīng)用契機(jī)，進(jìn)而激勵(lì)相關(guān)供應(yīng)鏈廠商的研發(fā)投入。

　　雖然在2003年時(shí)，LED亮度效能未能達(dá)到主照明的需求(表1)，但已逐漸讓世界注意到LED的未來性及對(duì)傳統(tǒng)光源的威脅性。

表1　OIDA對(duì)于2002～2020年LED效能預(yù)估

　　依照美國光電子工業(yè)協(xié)會(huì)(OIDA)的預(yù)測(cè)推估，即使LED已達(dá)到10美元/每千流明，但對(duì)于整組燈泡或燈具要達(dá)成10美元/每千流明仍相去甚遠(yuǎn)，尤其加入演色性(CRI)的需求，光源的效能和市場(chǎng)價(jià)格將為供應(yīng)鏈廠商必須共同解決的一大課題。

　　雖然LED的應(yīng)用極為廣泛，且各個(gè)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)會(huì)面對(duì)不同程度的技術(shù)問題，在此僅就照明應(yīng)用方面提出設(shè)計(jì)解決方向，以加速LED照明產(chǎn)業(yè)整合開發(fā)的質(zhì)量與速度。

　　LED燈具供貨商主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)規(guī)格

　　要成功開發(fā)一款LED照明產(chǎn)品所須注意的事項(xiàng)相當(dāng)繁瑣而復(fù)雜，三至五人的貿(mào)易公司或許能帶來營業(yè)利潤(rùn)，但在世界規(guī)范一一制定出爐后，亦拉高進(jìn)入門坎，同時(shí)篩選掉體質(zhì)不佳的應(yīng)用小廠，更甚至因?yàn)檫_(dá)到普及化的成本結(jié)構(gòu)，使LED照明逐漸朝專業(yè)技術(shù)和專業(yè)代工制造的領(lǐng)導(dǎo)廠商集中。

　　現(xiàn)今的主要客戶更加致力于探究上游材料、技術(shù)深度及整合能力，以做為評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于各階段開發(fā)的技術(shù)深度及廣度，將會(huì)是2009～2012年成功邁入LED照明必須完備的工作，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)尚未完備，市場(chǎng)的需求決定在供貨商能夠提供的解決方案。

過半效率取決芯片與封裝制程搭配效率

　　有關(guān)芯片開發(fā)，從覆晶(Flip Chip)式芯片如飛利浦，垂直(Verticle)式芯片如Cree、SemiLEDs，正負(fù)極呈階梯平面式焊線，完全平面式焊線如日亞(Nichia)、豐田合成(TG)、晶元光電等；再加上粗糙面(Roughness)結(jié)構(gòu)位置，以及形成的方式不同，皆或多或少影響出光效率、出光角、熱傳導(dǎo)、節(jié)點(diǎn)(Tj)溫度、固晶材料、固晶方式、硬力拉力推力、焊線參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專利問題。是否了解芯片跟后續(xù)封裝制程間的關(guān)系，決定LED照明產(chǎn)品一半以上的良率，開發(fā)LED照明應(yīng)用就必須了解細(xì)部差異，以做為設(shè)計(jì)上的判斷依據(jù)，目前沒有哪家LED芯片最好，只有最適合的LED芯片才能夠達(dá)到市場(chǎng)需求的優(yōu)化。

　　多重因素影響LED封裝性能

　　至于封裝開發(fā)，在固定單一型式芯片下，眾多影響因子決定封裝完LED組件的性能、可靠度、壽命是否能禁得起市場(chǎng)考驗(yàn)，其中包括：

　　?承載基板的設(shè)計(jì)選擇

　　金屬支架、FR4 COB(Chip on Board)型式、低溫共燒氧化鋁陶瓷、高溫氧化鋁、氧化鋁基板加金屬銀塊或銅塊(Slug)、氮化鋁基板、鋁基板、銅基板、復(fù)合機(jī)板等材料差異，包括上述材料的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)光、環(huán)境(如濕氣溫度等)結(jié)合力之間的相互作用關(guān)系。

　　?光相關(guān)的制程設(shè)計(jì)

　　固晶焊線區(qū)域位置，尺寸的設(shè)計(jì)，固晶焊線區(qū)域，固晶方式(硅絕緣膠、銀導(dǎo)熱膠、助焊劑、共金焊接等)，以及周邊材質(zhì)如金、銀、銅、鋁、鈀銀、鈀金、高耐熱塑料(PPA)、硅等，封裝膠體(黏稠度、折射率、耐溫耐候性與相鄰材料接著力等)。

?熒光粉的多重混用、波長(zhǎng)搭配、濃度搭配、涂布方式、操作時(shí)間及沉淀控制。

?色溫/電壓/亮度/演色性分布

　　均會(huì)影響出光效率、壽命、質(zhì)量等，然而不同芯片的選用會(huì)使所有影響因子勢(shì)必全部或部分重新再做評(píng)估。

　　光源組件設(shè)計(jì)與選擇不可輕視

　　圖2　產(chǎn)品機(jī)構(gòu)及模具組裝3D建構(gòu)須充分了解LED光源特性、光機(jī)電熱，加上計(jì)算機(jī)對(duì)光熱仿真分析，才能確?？煽慷群托?。

就LED照明而言，到此才決定LED光源組件(圖1)，接下來還要面對(duì)：二次光學(xué)透鏡、反射鏡的設(shè)計(jì)，達(dá)到照明在不同應(yīng)用需求的光型、光強(qiáng)分布或光學(xué)組件材料對(duì)環(huán)境造成光衰、裂化的考慮。此外，模塊設(shè)計(jì)加上電路、電子控制設(shè)計(jì)、定電流源、調(diào)光模塊、DMX系統(tǒng)控制模塊、部分熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)、部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、組立設(shè)計(jì)等，必須達(dá)到客戶功能性的要求，同時(shí)對(duì)LED光源組件不至于造成加速破壞的條件存在。最后則為熱傳導(dǎo)(Thermal Conductivity)熱硬力及散熱設(shè)計(jì)(Thermal Management)，在模塊端力求降低LED節(jié)點(diǎn)溫度，均勻快速的將熱集中區(qū)分散到各個(gè)面，另外則包括安規(guī)等絕緣設(shè)計(jì)考慮。

　　燈具設(shè)計(jì)決定市場(chǎng)定位和獲益

　　燈具部分包含工業(yè)、機(jī)構(gòu)、模具、散熱、產(chǎn)品組立、工業(yè)防塵防水等級(jí)、安規(guī)設(shè)計(jì)考慮及包材等設(shè)計(jì)。

　　以上細(xì)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，相互影響最終的產(chǎn)品屬性、質(zhì)量及價(jià)格，也決定產(chǎn)品的市場(chǎng)區(qū)隔、壽命、利潤(rùn)結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)遠(yuǎn)景。

　　LED照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)須按部就班

　　以照明環(huán)境型式而論，可分為直接、半直接、間接、半間接和漫射照明。而以區(qū)域區(qū)分，可分為建筑、居住、室內(nèi)及室外四區(qū)；再細(xì)部又可分庭院、外墻、客廳、餐廳、浴室、廚房、樓梯等。至于商業(yè)又分工作區(qū)、展示區(qū)、儲(chǔ)藏區(qū)、裝飾等。

　　無論哪一區(qū)、哪一型，在過去數(shù)十年到百余年歷史中，并未有一家獨(dú)大的情況，由于各個(gè)區(qū)域所對(duì)光的需求也不盡相同，所以對(duì)于LED照明設(shè)計(jì)而言，在找到企業(yè)強(qiáng)項(xiàng)后，須審慎選擇評(píng)估適合的，而非最好或最貴的LED光源，以此光源做為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)來開發(fā)適合市場(chǎng)使用需求，或便于掌握營銷的照明產(chǎn)品。

　　以目前LED封裝組件量產(chǎn)的發(fā)光效率在每瓦90～100流明之譜，當(dāng)然每瓦120流明或150流明已非難事，只要降低驅(qū)動(dòng)電流提升光熱轉(zhuǎn)換效率就能達(dá)到，而市場(chǎng)與成本的關(guān)系，才是未達(dá)量產(chǎn)的原因。換言之，目前標(biāo)準(zhǔn)或額定電流操作下的光電轉(zhuǎn)換效率約在30%，而約略70%仍轉(zhuǎn)換為熱，因此熱傳導(dǎo)及散熱為現(xiàn)階段亟待突破的瓶頸。在照明產(chǎn)品應(yīng)用面，個(gè)別光源產(chǎn)品在各時(shí)間階段所面臨的技術(shù)問題就是需要各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域人才去一一限時(shí)研究解決。照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間考慮約可分為直接替換的燈泡與高整合性的照明產(chǎn)品，說明如下：

　　縮減直接替換LED燈泡價(jià)格為首要之務(wù)

　　直接替換燈泡如MR16、GU10、E27投射或泛光型燈泡PAR30、PAR38(表2、3)、AR111等較大型燈泡，LED產(chǎn)生的熱，加上變壓或恒流驅(qū)動(dòng)電源模塊所發(fā)出的熱，在有限尺寸散熱面積下，使得小型投射燈泡無法跨越5瓦、300流明門坎；中大型投射燈泡，如帕(PAR)燈等無法跨越13瓦的門坎。相較于傳統(tǒng)光源，小型LED燈泡有十倍至數(shù)十倍的市場(chǎng)價(jià)差，而中大型LED燈泡則有數(shù)