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| 【LED】高功率白光LED仍有許多技術上的瓶頸尚待克服 |
| （時間:2013-9-17 15:23:09） |
在眾多環(huán)保光源應用方案中，LED是相對其他光源方案更為節(jié)能、便于組裝設計的一種光源技術，其中，在照明光源應用中，高功率白光LED使用則為最頻繁的發(fā)光元器件，但白光LED雖在發(fā)光效率、單顆功率各方面表現(xiàn)均有研發(fā)進展，實際上白光LED仍存在發(fā)光均勻性、封裝材料壽命等問題，尤其在芯片散熱的應用限制，則為開發(fā)LED光源應用首要必須改善的問題...
高功率白光LED應用于日常照明用途，其實在環(huán)保光源日益受到重視后，已經(jīng)成為開發(fā)環(huán)保光源的首要選擇。但實際上白光LED仍有許多技術上的瓶頸尚待克服，目前已有相關改善方案，用以強化白光LED在發(fā)光均勻性、封裝材料壽命、散熱強化等各方面設計瓶頸，進行重點功能與效能之改善。
環(huán)保光源需求增加高功率白光LED應用出線
LED光源受到青睞的主因，不外乎產(chǎn)品壽命長、光-電轉換效率高、材料特性可在任意平面進行嵌裝等特性。但在發(fā)展日常照明光源方面，由于需達到實用的“照明”需求，原以指示用途的LED就無法直接對應照明應用，必須從芯片、封裝、載板、制作技術與外部電路各方面進行強化，才能達到照明用途所需的高功率、高亮度照明效用。
就市場需求層面觀察，針對照明應用市場開發(fā)的白光LED，可以說是未來用量較高的產(chǎn)品項目，但為達到使用效用，白光LED必須針對照明應用進行重點功能改善。其一是針對LED芯片進行強化，例如，增加其光-電轉換效率，或是加大芯片面積，讓單個LED的發(fā)光量(光通量)達到其設計極限。其二，屬于較折衷的設計方案，若在持續(xù)加大單片LED芯片面積較困難的前提下，改用多片LED芯片封裝在同一個光源模組，也是可以達到接近前述方法的實用技術方案。
以多芯片封裝滿足低成本、高亮度設計要求
就產(chǎn)業(yè)實務需求檢視，礙于量產(chǎn)彈性、設計難度與控制產(chǎn)品良率/成本問題，LED芯片持續(xù)加大會碰到成本與良率的設計瓶頸。一昧的加大芯片面積可能會碰到的設計困難，并非技術上與生產(chǎn)技術辦不到，而是在成本與效益考量上，大面積之LED芯片成本較高，而且對于實際制造需求的變更設計彈性較低。
反而是利用多片芯片的整合封裝方式，讓多片LED小芯片在載板上的等距排列，利用打線連接各芯片、搭配光學封裝材料的整體封裝，形成一光源模組產(chǎn)品，而多片封裝可以在進行芯片測試后，利用二次加工整合成一個等效大芯片的光源模組，但卻在制作彈性上較單片設計LED光源用元件要更具彈性。
同時，多片之LED芯片模組解決方案，其生產(chǎn)成本也可因為芯片成本而大幅降低，等于在獲得單片式設計方案同等光通量下，擁有成本更低的開發(fā)選項。
多芯片整合光源模組仍需考量成本效益最大化
另一個發(fā)展方向，是將LED芯片面積持續(xù)增大，透過大面積獲得高亮度、高光通量輸出效果。但過大的LED芯片面積也會出現(xiàn)不如設計預期之問題，常見的改進方案為修改復晶的結構，在芯片表面進行制作改善;但相關改善方案也容易影響芯片本身的散熱效率，尤其在光源應用的LED模組，大多要求在高功率下驅動以獲得更高的光通量，這會造成芯片進行發(fā)光過程中芯片接面所匯集的高熱不容易消散，影響模組產(chǎn)品的應用彈性與主/被動散熱設計方案。
一般設計方案中，據(jù)分析采行7mm2的芯片尺寸，其發(fā)光效率為最佳，但7mm2大型芯片在良率與光表現(xiàn)控制較不易，成本也相對較高;反而使用多片式芯片，如4片或8片小功率芯片，進行二次加工于載板搭配封裝材料形成一LED光源模組，是較能快速開發(fā)所需亮度、功率表現(xiàn)之LED光源模組產(chǎn)品的設計方案。
例如Philips、OSRAM、CREE等光源產(chǎn)品制造商，就推出整合4、8片或更多小型LED芯片封裝之LED光源模組產(chǎn)品。但這類利用多片LED芯片架構的高亮度元件方案也引起了一些設計問題，例如：多顆LED芯片組合封裝即必須搭配內置絕緣材料，用以避免各別LED芯片短路現(xiàn)象;這樣的制程相對于單片式設計多了許多程序，因此即使能較單片式方案節(jié)省成本，也會因額外絕緣材料制程而縮小了兩種方案的成本差距。
應用芯片表面制程改善也可強化LED光輸出量
除了增加芯片面積或數(shù)量是最直接的方法外，也有另一種針對芯片本身材料特性的發(fā)光效能改善。例如，可在LED藍寶石基板上制作不平坦的表面結構，利用此一凹凸不規(guī)則之設計表面強化LED光輸出量，即為在芯片表面建立Texture表面結晶架構。
OSRAM即有利用此方案開發(fā)ThinGaN高亮度產(chǎn)品，于InGaN層先行形成金屬膜材質、再進行剝離制程，使剝離后的表面可間接獲得更高的光輸出量!OSRAM號稱此技術可以讓相同的芯片獲得75%光取出效率。
另一方面，日本OMRON的開發(fā)思維就相當不同，一樣是致力榨出芯片的光取出效率，OMRON即嘗試利用平面光源技術，搭配 LENS光學系統(tǒng)為芯片光源進行反射、引導與控制，針對傳統(tǒng)砲彈型封裝結構的LED產(chǎn)品常見的光損失問題，進一步改善其設計結構，利用雙層反射效果進而控制與強化LED的光取出量，但這種封裝技術相對更為復雜、成本高，因此大多僅用于LCDTV背光模組設計。
LED照明應用仍須改善元件光衰與壽命問題
如果期待LED光源導入日常照明應用，其應用需克服的問題就會更多!因為日常照明光源會有長時間使用之情境，往往一開啟就連續(xù)用上數(shù)個小時、甚至數(shù)十小時，那長時間開啟的LED將會因為元件的高熱造成芯片的發(fā)光衰減、壽命降低現(xiàn)象，元件必須針對熱處理提出更好的方案，以便于減緩光衰問題過早發(fā)生，影響產(chǎn)品使用體驗。
LED光源導入日常應用的另一大問題是，如傳統(tǒng)使用的螢光燈具，使用超過數(shù)十小時均可維持相同的發(fā)光效率，但LED就不同了。因為LED發(fā)光芯片會因為元件高熱而導致其發(fā)光效率遞減，且此一問題不管在高功率或低功率 LED皆然，只是低功率LED多僅用于指示性用途，對使用者來說影響相當小;但若LED作為光源使用，其光輸出遞減問題會在為提高亮度而加強單顆元件的驅動功率下越形加劇，一般會在使用過幾小時后出現(xiàn)亮度下滑，必須進行散熱設計改善才能達到光源應用需求。
LED封裝材料需因應高溫、短波長光線進行改善
在光源設計方案中，往往會利用增加驅動電流來換取LED芯片更高的光輸出量，但這會讓芯片表面在發(fā)光過程產(chǎn)生的熱度持續(xù)增高，而芯片的高溫考驗封裝材料的耐用度，連續(xù)運行高溫的狀態(tài)下會致使原具備高熱耐用度的封裝材料出現(xiàn)劣化，且材料劣化或質變也會進一步造成透光度下滑，因此在開發(fā) LED光源模組時，亦必須針對封裝材料考量改用高抗熱材質。
增加LED光源模組元件散熱方法相當多，可以從芯片、封裝材料、模組之導熱結構、PCB載板設計等進行重點改善。例如，芯片到封裝材料之間，若能強化散熱傳導速度，快速將核心熱源透過封裝材料表面逸散也是一種方法。或是由芯片與載板間的接觸，直接將芯片核心高熱透過材料的直接傳導熱源至載板逸散，進行LED芯片高熱的重點改善。此外，PCB采行金屬材料搭配與LED芯片緊貼組裝設計，也可因為減少熱傳導的熱阻，達到快速散逸發(fā)光元件核心高熱的設計目標。
另在封裝材料方面，以往LED元件多數(shù)采環(huán)氧樹脂進行封裝，其實環(huán)氧樹脂本身的耐熱性并不高，往往LED芯片還在使用壽命未結束前，環(huán)氧樹脂就已經(jīng)因為長時間高熱運行而出現(xiàn)劣化、變質的變色現(xiàn)象，這種狀況在照明應用的LED模組設計中，會因為芯片高功率驅動而使封裝材料劣化的速度加快，甚至影響元件的安全性。
不只是高熱問題，環(huán)氧樹脂這類塑料材質，對于光的敏感度較高，尤其是短波長的光會讓環(huán)氧樹脂材料出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，而高功率的LED光源模組，其短波長光線會更多，對材料惡化速度也會有加劇現(xiàn)象。
針對LED光源應用設計方案，多數(shù)業(yè)者大多傾向放棄環(huán)氧樹脂封裝材料，改用更耐高溫、抗短波長光線的封裝材料，例如矽樹脂即具備較環(huán)氧樹脂更高的抗熱性，且在材料特性方面，矽樹脂可達到處于150~180°C環(huán)境下仍不會變色的材料優(yōu)勢。
此外，矽樹脂亦可分散藍色光與紫外線，矽樹脂可以抑制封裝材料因高熱或短波長光線的材料劣化問題，減緩封裝材料因為變質而導致透光率下滑問題。而就LED光源模組來說，矽樹脂也有延長LED元件使用壽命優(yōu)點，因為矽樹脂本身抗高熱與抗短波長光線優(yōu)點，在封裝材料可抵御LED長時間使用產(chǎn)生的持續(xù)高熱與光線照射，材料的壽命相對長許多，也可讓LED元件有超過4萬小時的使用壽命。
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