高亮度LED之"封装光通"原理技术探析

高亮度LED之"封装光通"原理技术探析 

毫无疑问，这个世界需要高亮度发光二极体（HB LED），不仅是高亮度的白光LED（HB WLED），也包括高亮度的各色LED，且从现在起的未来更是积极努力与需要超高亮度的LED（UHD LED）。

用LED背光取代手持装置原有的EL背光、CCFL背光，不仅电路设计更简洁容易，且有较高的抗外力性。用LED背光取代液晶电视原有的CCFL背光，不仅更环保而且显示更逼真亮丽。用LED照明取代白光灯、卤素灯等照明，不仅更光亮省电，使用也更长效，且点亮反应更快，用於煞车灯时能减少後车追撞率。所以，LED从过去只能用在电子装置的状态指示灯，进步到成为液晶显示的背光，再扩展到电子照明及公众显示，如车用灯、交通信号灯、资讯看板、大型影视墙，甚至是投影机内的照明等，其应用仍在持续延伸。更重要的是，LED的亮度效率就如同摩尔定律（Moore＇＇s Law）一样，每24个月提升一倍，过去认为白光LED只能用来取代过於耗电的白炽灯、卤素灯，即发光效率在10～30lm/W内的层次，然而在白光LED突破60lm/W甚至达100lm/W後，就连萤光灯、高压气体放电灯等也开始感受到威胁。

虽然LED持续增强亮度及发光效率，但除了核心的萤光质、混光等专利技术外，对封装来说也将是愈来愈大的挑战，且是双重难题的挑战，一方面封装必须让LED有最大的取光率、最高的光通量，使光折损降至最低，同时还要注重光的发散角度、光均性、与导光板的搭配性。另一方面，封装必须让LED有最佳的散热性，特别是HB（高亮度）几乎意味着HP（高功率、高用电），进出LED的电流值持续在增大，倘若不能良好散热，则不仅会使LED的亮度减弱，还会缩短LED的使用寿命。所以，持续追求高亮度的LED，其使用的封装技术若没有对应的强化提升，那麽高亮度表现也会因此打折，因此本文将针对HB LED的封装技术进行更多讨论，包括光通方面的讨论，也包括热导方面的讨论。

裸晶层："量子井、多量子井"提升"光转效率"
虽然本文主要在谈论LED封装对光通量的强化，但在此也不得不先说明更深层核心的裸晶部分，毕竟裸晶结构的改善也能使光通量大幅提升。首先是强化光转效率，这也是最根源之道，现有LED的每瓦用电中，仅有15％～2％被转化成光能，其余都被转化成热能并消散掉（废热），而提升此一转换效率的重点就在p-n接面（p-n junction）上，p-n接面是LED主要的发光发热位置，透过p-n接面的结构设计改变可提升转化效率。目前多是在p-n接面上开凿量子井（Quantum Well；QW），以此来提升用电转换成光能的比例，更进一步的也将朝更多的开凿数来努力，即是多量子井（Multiple Quantum Well；MQW）技术。

"换料改构、光透光折"拉高"出光效率"。
如果光转效率难再要求，进一步的就必须从出光效率的层面下手，此层面的作法相当多，依据不同的化合材料也有不同，目前HB LED较常使用的两种化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN，前者用来产生高亮度的橘红、橙、黄、绿光，後者GaN用来产生绿、翠绿、蓝光，以及用InGaN产生近紫外线、蓝绿、蓝光。方法包括改变实体几何结构（横向转成垂直）、换用基板（substrate，也称：衬底）的材料、加入新的材料层、改变材料层的接合方式、不同的材料表面处理等。不过，无论如何变化，大体都不离两个原则：一、降低遮蔽、增加光透率。二、强化光折射、反射的利用率。如过去AlGaInP的LED，其基板所用的材料为GaAs，然黑色表面的GaAs使p-n接面散发出的光有一半被遮挡吸收，造成光能的浪费，因此改用透明的GaP材料来做基板。又如日本日亚化学工业（Nichia），将p型电极（p type）部分做成网纹状（Mesh Pattern），以此来增加p极的透明度，减少光阻碍同时提升光透量。至於增加折反射上，在AlGaInP的结构中增加一层DBR（Distributed Bragg Reflector）反射层，将另一边的光源折向同一边。GaN方面则将基板材料换成蓝宝石（三氧化二铝）来增加反射，同时将基板表面设计成凹凸纹状，藉此增加光反射後的散射角度，进而使取光率提升。或如德国欧司朗（OSRAM）使用SiC材料的基板，并将基板设计成斜面，也有助於增加反射，或加入银质、铝质的金属镜射层。

封装层：抗老化黄光、透光率保卫战
从裸晶层面努力增加光亮後，接着就正式从封装层面接手，务使光通维持最高、光衰减至最少。

要有高的流明保持率（Transmittance），第一步是封装材质。过去LED最常用的是环氧树脂（epoxy），但环氧树脂老化後会逐渐变黄，进而影响光亮颜色，尤其波长愈低时老化愈快，特别是部分WLED使用近紫外线（Near ultraviolet）发光，与其他可见光相比其波长又更低，老化更快。新的提案是用矽树脂（silicone），例如美国Lumileds公司的Luxeon系列LED即是改采矽封胶。不只是Lumileds Luxeon，其他业者也都有矽胶方案，如通用电气.东芝公司的InvisiSi1，东丽．道康宁的SR 7010等也都是LED的矽胶封装方案。

矽胶除了对低波长有较佳的抗受性、较不易老化外，矽胶阻隔近紫外线使其不外泄也是对人体健康的一种保护，此外矽胶的光透率、折射率、耐热性都很理想。GE Toshiba的InvisiSi1具有高达1.5～1.53的折射率，波长范畴在350nm～800nm间的光透率达95％，且波长低至300nm时仍有75％～80％的光透，将折射率降至1.41，即便是300nm波长也能维持95％的光透性。Dow Coring Toray的SR 7010在405nm波长以上时光透率达99％，且硬化处理後折射率亦有1.51，另外耐热上也都能达180℃～200℃的水准。此外，也有业者提出所谓的无树脂封装，即是用玻璃来作为外套保护，如日本京瓷（Kyocera）提出的陶瓷封装，都是为了抗老化而提出，其中陶瓷也有较佳的耐热效果。

封装层：透镜的透射　反射杯的反射、折射
在用胶封装完後，依据LED的不同用途会有各种不同的接续作法，例如做成一个一个的独立封装元件，过去最典型的单颗LED指示灯即是如此。另一种则是将多个LED并成一个整体性元件，如七段显示器、点阵型显示器等。此外焊接脚位方面也有两种区分，即穿孔技术（Through-Hole Technology）及表面黏着技术（Surface-Mount Technology）。

就逐一独立、分离、离散性的封装来说，也要因应不同的应用而有不同的封装外观。若是作为穿孔性焊接的状态指示灯则只要采行灯泡（Lamp）型态的封装（俗称成"炮弹型"），即便是此也还有透镜型态（Lens Type）的区别，如典型Lamp、卵椭圆Oval、超卵椭圆Super Oval、平直Flat等。而若是表面黏着型，也有顶视Top View、边视Side View、圆顶Dome等。

为何要有各种不同的透镜外型？就一般而言，Lamp用来做指示灯号、Oval用於户外标示或号志、Top View用来做直落式的背光、Flat与Side View配合导光板（Guide Plate）作侧边入光式的背光、Dome作为小型照明灯泡、小型闪光灯等。外型不同、应用不同，发光的可视角度（View Angle）也就不同，此部分也就再次考验封装设计。运用不同的设计方式，可以获得不同的发光角度、光强度、光通量，此方面常见的做法有四：中轴透镜Axial lens、平直透镜Flat lens、反射杯Reflective cup、岛块反射杯Reflective cup by island。一般的Lamp用的即是中轴透镜法，Dome及Oval/Super Oval等也类似，但Oval/Super Oval的光亮比Lamp更集中在轴向的小角度内。而Flat则是用平直透镜法，好处是光视角比中轴透镜法更大，但缺点是光通量降低、光强度减弱。至於Top View、Side View等则多用反射杯或岛块反射杯，此作法是在封装内加入反射镜，对部分发散角度的光束进行反射、折射等收敛动作，使角度与光强度能取得平衡。

就技术难易来说，只用上透镜的Axial lens、Flat lens较为简易，只要考虑透射与光束发散性，相对的有Reflective cup就不同了，原有的透射、发散都要考虑，还要考虑反射、折射以及光束收敛，更加复杂。

材质方面，透镜部分除了可持续用原有的覆胶材质外也可以改用其他材质，因为透镜已较为讲究光透而不讲究裸晶防护，如此还可采行塑胶（Plastic）、压克力（Acrylic）、玻璃（Glass）、聚碳酸酯（Polycarbonate）等，且如之前所述，光透性与波长有关，不同波长光透度不同，再加上有不同的材质可选择，甚至要为透镜上色，好增加光色的对比度，或视应用场合的装饰效果（玩具、圣诞树），还有前面的透镜、反射杯等几何设计等，以上种种构成了LED光通上的第四道课题。

结语
HB LED被人强调为"绿色照明"，言下之意"环保"是其很大的诉求点，所以不仅要无铅（Pb Free）封装，还要合乎今日欧洲RoHS（限用危害物质指令）的法令规范，无论封装与LED整体都不能含有汞、镉、六价铬（hexavalent chromium）、多溴联苯（PolyBrominated Biphenyls；PBB）、多溴联苯醚（PolyBrominated Diphenyl Ether；PBDE）等环境有害物，此外WEEE（废弃电子电机设备指令）等其他相关法规也必须遵守。

 前面我们也已经简略提到封装物必须能封阻与抗受低波长、紫外光，还要有一定的硬度来抗受机械外力，以及耐热性，此外绝缘、抗静电、抗湿也都必须注意。更重要的是，无论是否高亮度，都必须尽可能将光亮导出，因为，若不能忠实导出光能，光能在封装层内被吸收，就会转化成热能，为封装上的散热问题又添一项课题，LED的热若不能顺利排解与降低，成为热负荷，反过来一样要伤害LED本体，包括亮度也会受到影响，因此，达到最佳、最理想的光通，是封装设计必然要重视课题！（文/郭长佑）