图文详解高功率LED封裝技术

　　LED照明应用的快速兴起，预期将扩大高功率LED的产品需求，为确保高功率LED能符合市场要求，封装业者试图借由改善封装材料、晶粒配置等方面，以真正达成高性价比与延长使用寿命的目的。

　　产业界时常发表的高功率发光二极管（LED）光源，多为数十瓦甚至上百瓦的LED封装技术，以光系统应用端的角度观之，实无太大意义，反而是如何能将数十至上百瓦的热消除才是关键。而要达成此一目标，须能有效降低单一LED封装之热阻值（Rjc）。

　　LED封装所驱动的功率大小受限于封装体热阻与所搭配之散热模块（Rca），两者决定LED的系统热阻和稳态所能忍受的最大功率值。为降低封装热阻，业者试图加大封装体内LED晶粒分布距离，然LED晶粒分布面积不宜太大，过大的发光面积会使后续光学难以处理，也限制该产品的应用。不可一味将更多的LED晶粒封装于单一体内，以求达到高功率封装目的，因为仍有诸多因素待考虑，尤其是对于应用面。

　　多晶粒封装材料不断发展

　　随着LED封装功率提升，多晶粒封装（Multi-chip Package）成为趋势，传统高功率LED封装多采用塑料射出之预成型导线架（Pre-mold Lead Frame）方式（图1a），封装载体（Carrier）又称为芯片承载（Die Pad），为一连续的金属块，已无法满足多晶粒串接之电性需求，电性串并联方式直接影响LED晶粒电测分档（Bin）的精密程度、可靠度寿命以及封装体在应用时所需要的驱动电路设计。于是众多LED封装型式陆续被提出，图2举出几个代表性高功率LED封装典型例子。

　　图1　常见高功率LED封装结构示意

　　图2　典型具代表性之高功率LED封装

　　广为业界使用的高功率LED封装结构，主要的差异大致可从封装载体之材料选用做区分，实现方式不外乎采用高导热陶瓷基材或直接在金属基材上做植晶封装（图1b），成为板上芯片（Chip On Board， COB）的封装形式。但因为高导热陶瓷基材价格居高不下，另有经济的选择，为使用低导热积层陶瓷配合热导通孔（Thermal Via）的设计（图1c），热导通孔内添入烧结金属（如银材）作为导热路径；此外，亦另有先进的作法，是使用半导体制程硅材为载体（图1d）达到热电分离，同时兼具高功率密度和低热阻（＜0.5℃/W）特性，可望将高功率LED封装导入另一项革命。随着LED功率和功率密度升级，将加速LED在各应用领域逐次取代传统光源。

　　一级光学镜片封装材料选用举足轻重

　　耐高温且稳定的封合胶体（Encapsulation）已被广泛采用，不同硅胶基材间的取舍，除了加工性外，主要在于折射率的考虑，其将影响封装体的光学特性，此包括光分配（Beam Distribution）与出光效率等。为维持稳定一致的光学质量，赋予一级光学镜片（Primary Lens）有其必要性，好的镜片设计可提供更佳的光输出质量，如更均匀的光强度、色坐标分布等，对于LED的有效出光有绝对的影响。

　　一级光学镜片的设计，各家自有其道，一般在第一阶出光多采用大出光角（≧120o）方式，再透过后续的二阶光学处理调整达所需要的光形，大出光角的另一好处，是有利于将光萃取出来，呈现更好的发光效率值。

　　一级光学材料的选用是很大的关键点，在过去，受限于可光学成型材料的瓶颈，多数以光学聚碳酸脂（PC）或光学压克力（PMMA）材质为主（低阶产品甚或有使用氧树脂的例子），现阶段因硅胶材性质已多有突破，陆续被使用在一级光学镜片，然因胶材乃属黏弹性非坚硬结构，在光学精准性上会受到交链反应收缩程度差异影响，同时因硅胶容易吸收水气，在高潮湿环境下，硅胶镜片可能因吸湿膨胀而使原先设计的配光发生变化，硅胶材应用在高功率LED封装，适处于推广阶段。至于在光学镜片材料选用上，还有另一种可行方式，对于实现更精致光学质量与高度可靠度需求者，可选用稳定的玻璃镜片，满足长寿命和容许恶劣使用环境下严格考验。

　　有效降低热阻值为首要课题

　　LED封装推向高功率，首要面对热的挑战。热效应始终为各种材料特性退化的一大加速因子，如何掌控结点温度，成为决定LED封装功率值的主要因素，现阶段固态照明产生白光的主流机制，仍以可见蓝光（450～470奈米）透过荧光材（Phosphor）激发黄色光谱混合，而产生人类视觉上的白光。

　　市面上可见之蓝光晶粒技术已达一定水平，晶粒本身对热冲击的忍受程度相当大（温度每提升10℃、发光效率衰退小于1%），然而热对于所有类型荧光材的效应则相对敏感，荧光材之光转换效率随温度上升而降低（图3），同时影响荧光材料寿命，特别当荧光材料温度超过70℃以上时会急速衰退，此意味着LED结点温度（Junction Temperature， Tj）须有效控制在70℃以下，始能有效确保LED可用寿命（一般寿命以L70计算，LED衰退至原来亮度70%之时间），作为寿命判断依据，而此要求一般皆在20，000小时以上。因此，当讨论LED最高功率以及效能时，须考虑其于正常操作状态下，达热稳定时之结果去推算始具意义。LED封装体自身之热阻，决定该封装所能承受的最大功率，如何有效降低Rjc值，是为高功率LED封装须面对的一大挑战。

　　图3　荧光材光转换效率随温度之变化

　　成本、电性、可靠度为封装体晶粒配置三大评估标准

　　LED晶粒的工作电流密度有其上限（以40×40密尔（mil）芯片面积为例，依芯片等级，驱动电流从350～1，000毫安皆有，然而提高LED功率最直接的作法，是提高LED封装内的总晶粒面积，作法不外乎增加晶粒大小，或是提高晶粒数目（采用多晶封装方式），各有其优缺点，可从晶粒成本、电性考虑、以及可靠度寿命等角度予以评估：

　　‧ 成本考虑

　　以大尺寸80密尔晶粒为例，其面积相当于四个40密尔晶粒，然对于晶粒价格而言，80密尔的晶粒成本，因良率因素，必定高于四个40密尔的成本。

　　‧ 电性连接方式

　　从电性的角度来看，80密尔晶粒相当于将四个40密尔晶粒以并联形式连接（图4a），而若使用四个40密尔晶粒，则可以选择透过打线（Wire Bonding）方法以串联形式连接（图4b），串联与并联方式的差异，可反应在性能表现，了解每颗LED晶粒的顺相电压（Forward Voltage， Vf）皆有差异，换句话说，也就是各晶粒单元的内阻值不一，四颗晶粒并联驱动，必有电流分布不均问题，电流分配较大的晶粒，光转换效率大同时也加速晶粒老化，电流分配不足的晶粒，则无法释放出足够的光能，结果使整体的发光效率不如预期。

　　图4　于相同的晶粒面积条件下，不同晶粒大小相对应之电性连接示意

　　‧ 可靠度寿命

　　大晶粒因有电流分布不均现象，电流密度大的区域加速老化，LED老化的结果是阻值降低，导致该区域电流密度（Current Density）愈来愈大，也形成所谓的热点（Hot Spot），恶性循环的结果会加速LED衰退。因此，LED在相同电流密度操作下，大晶粒的可靠度寿命较小晶粒短。

　　总的来说，采用串联形式是比较有利的作法，然大尺寸晶粒却有其他方面的优势，在光学处理上，大尺寸晶粒相较于多个小尺寸晶粒，更趋近于点光源，较容易处理。大、小晶粒尺寸间的取舍端视应用领域而定，在实际操作上，仍须考虑封装的制程可行性以及LED驱动电路组件的搭配性。

　　整合共通平台有助于降低开发成本

　　回顾2001年，Lumiled Luxeon首推出1瓦高功率LED盛极一时，以当时的封装，可谓经典设计，众多周边厂商纷纷推出搭配Luxeon的周边零件，包括二次光学、散热基板、热模块、驱动电路等，采取Luxeon封装可毋须顾虑光学模块，并有各式驱动电路可供用，大大缩短产品开发时程。反观现阶段高功率LED封装，各厂自有其独特规格，彼此间完全没有可共通的零配件可交互使用，即使是当年红极一时的Lumiled（现已并入飞利浦），亦打破过去一贯的设计传统，使得原先配合之周边零组件厂无所适从。在没有整合共通平台的发展下，可以预期的结果是各厂自行开发其高功率LED封装规格，使得下游系统应用厂使用更加困难，除非锁定某单一LED供应源，否则若欲同时有二至三种供货来源，则须投入倍数的开发成本于同一产品上。通用平台的无法实现，可以预期最后的局势为弱肉强食，而非共享甜美果实的结局。

　　演色性、色彩均匀、价格挑战越来越大

　　白光LED近年来突飞猛进，高功率LED取代传统光源展现在节能的效益已获证实，2008年初可以量产的白光LED封装已突破每瓦70流明水平，超越传统通用照明最为普及的省电灯泡（管）。可以预见在未来的一年，大于每瓦100流明的可商业化白光LED即将面世。在一味追求高发光效率的同时，亦期待LED业界在光学质量同样获得提升，包括：

　　‧ 对演色性的追求

　　使用于室内照明的光源，人们强调光源的演色性，目的在使被照物体呈现更自然色彩，如何提升演色性（CRI＞80），这部分须仰赖晶粒厂与荧光材厂的齐力配合，使激发光谱更加宽广、且更接近于大自然光源。

　　‧ 提升光色彩均匀度

　　许多LED投射出的光色彩均匀度不理想，经常可见者为外围黄圈问题（光靠近外圈之色温低于中心区域），即便是国际知名LED封装大厂亦难解此课题，此须同时从封装结构，光学设计以及荧光体涂布制程技术等并行处理。

　　‧ 价格普及化

　　高功率LED封装的最大市场，在于广大的通用照明，未来LED何时能广泛被应用，只剩价格问题，预估LED封装成品价格低于100流明下1.5美元的性价比，同时LED效能仍须维持在每瓦70流明以上之水平，而交流对直流（AC-DC）驱动电路价格低于每瓦0.3美元，则将是高功率LED在固态照明正式被启动的时间点。

　　LED性能对产品寿命影响巨大

　　在LED特性的表现上，封装业的角度仅呈现组件之初始特性（Initial Characteristic， i.e.， Tj=25℃），然在实际应用上，用户想知道的是产品在持续操作之稳定状态（Steady State）下的数据，如何让终端的系统整合业者，以高功率LED封装设计产品时能有效掌控LED特性，须忠实提供客户关于LED封装体热阻、LED光通量随结点温度（Tj）变化之关系以及结点温度对于LED寿命的影响。

　　对于系统用户而言，LED封装体等于一个电子组件，如同一般其他电子组件的表达方式，唯有提供足够的组件特性（尤其在对热的性能表现上），在组件使用上，才有办法合理的预估产品寿命，维护消费者信心。