LED封裝技術的發(fā)展趨勢

LED封裝技術目前主要往高發(fā)光效率、高可靠性、高散熱能力與薄型化四個方向發(fā)展，目前主要的亮點有硅基LED和高壓LED，硅基LED之所以引起 業(yè)界越來越多的關注，是因為它比傳統(tǒng)的藍寶石基底LED的散熱能力更強，因此功率可做得更大，Cree就重點在發(fā)展硅基LED，它目前存在的主要問題是良 率還較低，導致成本還偏高。

高壓LED是另一大亮點，它因可大幅縮小DC-DC降壓電路的輸入輸出壓差，而進一步提升LED驅動電源的效率，這可有效降低LED燈具對散熱外殼的要求，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

有更好的發(fā)光效率與好的散熱環(huán)境，好的散熱環(huán)境進而提升LED的使用壽命。LED封裝技術主要建構在五個主要考慮因素上，分別為光學取出效率、熱阻、功率耗散、可靠性及性價比(Lm/$)。

以上每一個因素在封裝中都是相當重要的環(huán)節(jié)，舉例來說，光取出效率關系到性價比;熱阻關系到可靠性及產品壽命;功率耗散關系到客戶應用。整體而言，較佳的封裝技術就是必須要兼顧每一點，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LED的封裝材料組成，林治民詳細解說道，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?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使用藍寶石基板，散熱能力較差，且在高電流驅動下，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計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，但由于制作流程復雜，工藝良率過低，以致于無法達到理想的高性價比，由此可知，在高瓦數(shù) 封裝上，工藝良率所導致的價格因素也是一大考慮。

臺積電子公司采鈺科技便是專攻晶圓級高功率LED硅基封裝技術的業(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照明球泡 燈產品上。采鈺科技LED技術研發(fā)處長李豫華表示，以8吋磊晶計算，目前采鈺封裝產能為單月2千片、相當于400萬顆，去年產品成功打入中國路燈產品，量 大的時候甚至單月出貨量高達70-80萬顆。

與一般臺灣LED封裝廠商采用的氧化鋁(藍寶石)基板技術不同，采鈺采用的是晶圓級LED硅基封裝技術，采鈺李豫華表示，硅基封裝LED在散熱方面 優(yōu)于藍寶石基板，但目前售價也高于藍寶石基板的產品，不過，李豫華認為在今年內，采鈺硅基封裝與藍寶石基板產品的價格將趨于一致，采鈺更訂下目標，希望每 年成本下降幅度可達到30%。

硅基板的良率尚低

硅基板的最大訴求為導熱更佳，李豫華進一步指出，次世代照明的LED封裝需求最重要的就是散熱問題，估計熱的問題5年內難解，其次則是需要強而有力 的結構體和穩(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)，最后就是量產和成本方面的管理。

LED封裝在這30年的演進，最大的特色就是尺寸愈來愈小，因此熱效應問題在輸入驅動電流較高時便凸顯出來。也就是說，現(xiàn)在高功率LED需求愈來愈 大，當放進小顆LED并將電源灌入后，熱量便會產生，為了要降低熱，光的亮度就會減小，這時為了要增加亮度，又得導入更高的電流，高電流又會產生更多的 熱，如此成為一個循環(huán)，熱量就不斷增加。接合溫度過高，結果便是每升高20℃，LED效能就要降低5%(或每增加1℃，效能降0.25%)。

LED產生的90%熱量都是向下走，因此封裝技術中，散熱十分重要。整體而言，可供選擇的高功率LED次安裝基臺(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，且以導熱系數(shù)和熱擴散來看，硅是最佳選擇。

硅基LED封裝工藝流程為：絕緣及金屬層、芯片/金屬線鍵結及熒光材料涂布、透鏡組裝，再進行切割與測試。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家的IC制造兼容晶圓級熒光粉涂布技術，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，且此技術可控制色溫的一致性。

另外，半球形鏡頭為以光學設計方式增加出光率的方法之一，也是采鈺獨家設計的晶圓級產品，鏡頭設計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，由內而外愈來愈小，亦可控制出光路徑使其出光率增加，此結構模式可改善出光率逾7%。再者，藉由熒光粉補償過程可以達到緊密的色溫控制，因而良 率可獲得提升，使原本低于70%的良率，經由補償可以提升超過95%。目前采鈺的LED硅基封裝成品已經在多處導入，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校園等。

不過，LED硅基封裝仍有許多技術上面臨的挑戰(zhàn)需要克服，例如材料方面，硅材有容易碎裂的缺點，且機構強度也是問題所在。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。結構方面，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大尺寸背光源的計劃。在2012年臺灣、日本、美國、加拿大將開始禁用白熾燈泡的政策下，采鈺認為，2011年第3季LED暖白色球泡燈銷售量將爆發(fā)性成長，公司也將球泡燈產品列入今年的發(fā)展重點。

除了上述垂直式芯片外，覆晶型芯片也是業(yè)界極力發(fā)展的目標。覆晶型芯片的制作較立體型簡單許多，且可避掉復雜工藝，使得量產可行性大幅提升，加上后 端芯片工藝金手指和過孔技術成熟輔助，以往必須種植多顆金球的固晶方式轉變?yōu)榇竺娣eP、N電極直接黏著支架，搭配上eutectic固晶方式，更大大的簡 化了覆晶型芯片封裝的技術門坎，再者，縮短的封裝散熱路徑，相較于水平式芯片有較佳的散熱能力，驅動電壓也可下降，林治民強調，在未來節(jié)能減碳的驅動下， 覆晶型芯片封裝會是很好的解決方案。

基于上述封裝的考慮，億光目前采用的主要封裝技術為熒光粉涂布以及轉注工藝。熒光涂布是億光發(fā)展的技術，主要是在芯片上覆蓋一層薄薄的熒光層，如此可大幅提升組件的發(fā)光效率，目前億光已將此產品運用在高功率件上。

轉注工藝技術則原本是使用在小型的表面貼裝型產品上面，林治民表示，億光在此產品上獲得了很大的成功，并進一步將此技術運用在高功率機種上，克服了 硅成型與粘模等技術問題，目前由于TV等背光組件功率的提升與信賴性的要求，傳統(tǒng)的PPA反射蓋基板為有機材料，無法像硅或樹脂提供較佳的耐熱與耐光能 力，為了有效提升信賴性，億光也計劃將此轉注工藝技術運用在背光組件的產品上。

關于封裝尺寸，目前億光電子實驗當中所能達成之最小高功率封裝體尺寸為3.0 ×3.0mm，甚至是2.0×2. 0mm以下的樣品制備，然而目前市售最普遍的規(guī)格仍為3.5×3.5mm產品，此一產品的應用面極為廣泛，因此，億光林治民表示，身為開啟固態(tài)照明時代的 先鋒分子，億光電子將持續(xù)將小尺寸高功率技術應用于此產品上，以低成本的氮化鋁陶瓷基板搭配高反射率的反射鏡實施，制作此項產品所需的封裝支架，另外并會 應用共金固晶的工藝技術，藉由金屬快速的將熱由LED中心地帶導向高導熱的氮化鋁陶瓷，以期降低LED組件的操作溫度，達成高效率(150lm/w)、高 功率(3-5W操作)、長壽命(60000hrs)、低能耗的LED產品表現(xiàn)。

再者，芯片的選擇也非常重要，林治民表示，億光將與全球的優(yōu)質合作伙伴共同致力于現(xiàn)有芯片的質量改良與降低成本，以及新芯片結構的快速開發(fā)，以期能 以成本最低之大量生產的硅膠壓模工藝技術，降低現(xiàn)有LED芯片工藝的封裝成本，并以快速反應的光學結構設計符合新設計芯