高功率LED封裝技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)況

盡管全世界已越來越重視節(jié)能省電的問題，而LED 照明又被視為是下個(gè)十年最受關(guān)注的應(yīng)用，但短期內(nèi)LED要走入普通照明仍有許多門坎要克服，主要原因在于發(fā)光效率太低、成本太高等兩大限制。然而此兩大限制卻皆與高功率LED 封裝技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，若能借助LED封裝技術(shù)將其發(fā)光效率提升至150lm/W ，以及大幅降低其成本，預(yù)計(jì)2012~2013 年LED照明市場將大有可為。

日本Intellectual Property Bank（以下簡稱IPB）基于自行設(shè)定的指標(biāo)“申請人得分排名”，對從事LED 照明業(yè)務(wù)廠商的技術(shù)競爭力進(jìn)行了排名。排名結(jié)果顯示，在LED 照明領(lǐng)域技術(shù)競爭力居首位的廠商為日亞化學(xué)工業(yè)。IPB 表示，“申請人得分”是指從所申請專利的質(zhì)與量評價(jià)申請人的專利水平，排名對象包括向日本專利廳提出LED 照明相關(guān)技術(shù)專利申請的企業(yè)、大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)以及個(gè)人。評分項(xiàng)目中可知，欲發(fā)展LED照明事業(yè)，“LED 封裝”為不可或缺的技術(shù)發(fā)展項(xiàng)目之一。究竟LED 封裝必須注意哪些細(xì)節(jié)呢？其封裝技術(shù)又有何發(fā)展趨勢呢？本文將針對這些疑問作一詳細(xì)解說。剖析LED 封裝所需的每一道制程可知，高功率LED 封裝技術(shù)可細(xì)分成：1.支架的設(shè)計(jì)（包括取光與散熱）；2.芯片的選擇與排列方式；3.固晶方式；4. 金線線型與粗細(xì)；5.熒光粉種類與涂布結(jié)構(gòu)；6.Silicone Lens 的曲率與折射率。此六項(xiàng)制程皆對LED 的散熱性能（熱阻值）、光通量（流明）、發(fā)光效率、相對色溫(CCT)、演色性(CRI)、光色的均勻性、壽命等特性深具影響，因此每一環(huán)節(jié)皆不可輕忽。下列將針對其中四項(xiàng)作一詳細(xì)解析，并逐一說明其對LED 特性影響的關(guān)系。

熒光粉涂布結(jié)構(gòu)
為了追求高顏色均勻性與高輸出流明等特性，傳統(tǒng)的熒光粉涂布方式(Uniform Distribution)已無法達(dá)成此要求，因此許多廠商陸續(xù)發(fā)展出新的熒光粉涂布技術(shù)，如敷型涂布(Conformal Distribution)與Remote Phosphor 等兩種方式（如圖1）；敷型涂布方式較著重于改善白光LED 顏色的均勻性，而Remote Phosphor 涂布方式則著重于增進(jìn)白光LED 的光輸出。此三種熒光粉涂布方式各自擁有其擁護(hù)者，例如Nichia 的NS6W083A 產(chǎn)品其熒光粉涂布方式為傳統(tǒng)熒光粉涂布方式；而Lumileds 則利用電泳被覆技術(shù)將熒光粉被覆在芯片上（如圖2），以形成均勻厚度的敷型涂布的結(jié)構(gòu)，因此可獲得非常均勻的白光，該技術(shù)也成功廣泛地應(yīng)用于Luxeon I 與K2 產(chǎn)品中，并已申請專利保護(hù)，其專利號碼為US 6576488 B2 ，然而電泳被覆制程的制造成本昂貴，不利于降低LED 的售價(jià)， 因Lumileds 公司于2008 年提出新的敷型涂布之方法，名為Lumiramic Phosphor Plate，直接將它貼附在芯片上即可使藍(lán)光轉(zhuǎn)換成白光，此方法具有高度的色彩控制能力，可有效地降低Binning 的數(shù)目。

圖1、三種熒光粉涂布結(jié)構(gòu)示意圖(a) Uniform Distribution；(b) Conformal Distribution；(c) Remote Phosphor

圖2、電泳被覆技術(shù)產(chǎn)生一熒光粉Conformal Coating 的示意圖

硅膠透鏡(Silicone Lens)的曲率與折射率
由于高功率LED 的操作功率不斷地增加，使LED 整體組件的溫度也會(huì)隨之升高，在此種工作環(huán)境下，傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂封裝材料因無法承受此一高溫而會(huì)產(chǎn)生材料劣化（黃化），并引發(fā)LED 的亮度衰減。為避免此現(xiàn)象產(chǎn)生，必須設(shè)法尋找適合于高功率LED 的封裝膠材。Silicone 因具有高折射率、高耐溫性、絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性、高透光性（波長范圍介于300~700nm 間）與高可靠度等特性，因此成為高功率LED封裝材料的最佳選擇對象。

目前生產(chǎn)硅膠最主要的廠商有Shin-Etsu 、Dow Corning 、NuSil 與Momentive（原GE Toshiba）等，其高功率LED 封裝材的產(chǎn)品特性整理于表1，供讀者參考。從表中可知， 其Silicone 的折射率皆介于1.4~1.41 之間，由此可推斷Silicone 的官能基應(yīng)為二甲基(Dimethyl)，且其硬度應(yīng)落于Shore A 范圍。根據(jù)此硬度值，可將這些硅膠封裝材歸類于軟性材質(zhì)并被稱為Rubber或Elastomer；若欲選用高硬度硅膠封裝材時(shí)，則硅膠材質(zhì)的官能基需做調(diào)整。另外，這些硅膠封裝材的固化條件大致上皆需要在150℃ 烤箱內(nèi)烘烤超過1 小時(shí)才能達(dá)到硬化，并獲得標(biāo)示上的硬度。

表1、市面上常見的Silicone 封裝材產(chǎn)品及其特性一覽表

1.硅膠透鏡的曲率
從市售的商品中不難發(fā)現(xiàn)，高功率LED 有些含有透鏡結(jié)構(gòu)，而有些則無。由于無透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成本較低廉，因此較常被選用，然而其光通量并非最優(yōu)越者，因此，往往需增加一透鏡結(jié)構(gòu)來提升LED的光通量，如圖3所示。當(dāng)透鏡的高度(h)等于透鏡的半徑時(shí)，其LED 的出光率會(huì)高于平板式LED ，但當(dāng)透鏡的高度等于透鏡半徑的一半時(shí)， LED 的出光率反而會(huì)低于平板式LED ，根據(jù)這些結(jié)果可知，出光率與透鏡結(jié)構(gòu)有關(guān)，而透鏡的曲率也會(huì)影響全反射的多寡，當(dāng)光從高折射率介質(zhì)進(jìn)入低折射率介質(zhì)時(shí)，即會(huì)發(fā)生全反射。LED若具有透鏡結(jié)構(gòu)則可減少全反射之產(chǎn)生，因而可增加其出光率。

圖3、出光率與透鏡結(jié)構(gòu)的關(guān)系圖

2.Silicone Lens 的折射率（略）
3.硅膠透鏡的制造技術(shù)（略）

結(jié)　論
若欲將高功率LED 封裝技術(shù)發(fā)揮至淋漓盡致，則須著重LED 封裝技術(shù)的每一環(huán)節(jié)，包括支架的設(shè)計(jì)、芯片的選擇與排列方式、固晶方式、金線線型與粗細(xì)、熒光粉種類與涂布結(jié)構(gòu)、Silicone Lens 的曲率與折射率等，唯有如此才能制作出一極致的LED 封裝。從專利申請件數(shù)中也可發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)廠商對于LED 封裝技術(shù)的著墨甚少，只有少部份專利集中于支架設(shè)計(jì)上，至于其它技術(shù)則揭露甚少，此將不利于與競爭對手相互競爭，有鑒于此，本文藉此拋磚引玉，期盼國內(nèi)廠商能對于揭露專利多下點(diǎn)功夫，并望于未來照明市場中能占有一席之地。