高功率LED封装技术的发展现况

尽管全世界已越来越重视节能省电的问题，而LED 照明又被视为是下个十年最受关注的应用，但短期内LED要走入普通照明仍有许多门坎要克服，主要原因在于发光效率太低、成本太高等两大限制。然而此两大限制却皆与高功率LED 封装技术的发展息息相关，若能借助LED封装技术将其发光效率提升至150lm/W ，以及大幅降低其成本，预计2012~2013 年LED照明市场将大有可为。

日本Intellectual Property Bank（以下简称IPB）基于自行设定的指标“申请人得分排名”，对从事LED 照明业务厂商的技术竞争力进行了排名。排名结果显示，在LED 照明领域技术竞争力居首位的厂商为日亚化学工业。IPB 表示，“申请人得分”是指从所申请专利的质与量评价申请人的专利水平，排名对象包括向日本专利厅提出LED 照明相关技术专利申请的企业、大学、研究机构以及个人。评分项目中可知，欲发展LED照明事业，“LED 封装”为不可或缺的技术发展项目之一。究竟LED 封装必须注意哪些细节呢？其封装技术又有何发展趋势呢？本文将针对这些疑问作一详细解说。剖析LED 封装所需的每一道制程可知，高功率LED 封装技术可细分成：1.支架的设计（包括取光与散热）；2.芯片的选择与排列方式；3.固晶方式；4. 金线线型与粗细；5.荧光粉种类与涂布结构；6.Silicone Lens 的曲率与折射率。此六项制程皆对LED 的散热性能（热阻值）、光通量（流明）、发光效率、相对色温(CCT)、演色性(CRI)、光色的均匀性、寿命等特性深具影响，因此每一环节皆不可轻忽。下列将针对其中四项作一详细解析，并逐一说明其对LED 特性影响的关系。

荧光粉涂布结构
为了追求高颜色均匀性与高输出流明等特性，传统的荧光粉涂布方式(Uniform Distribution)已无法达成此要求，因此许多厂商陆续发展出新的荧光粉涂布技术，如敷型涂布(Conformal Distribution)与Remote Phosphor 等两种方式（如图1）；敷型涂布方式较着重于改善白光LED 颜色的均匀性，而Remote Phosphor 涂布方式则着重于增进白光LED 的光输出。此三种荧光粉涂布方式各自拥有其拥护者，例如Nichia 的NS6W083A 产品其荧光粉涂布方式为传统荧光粉涂布方式；而Lumileds 则利用电泳被覆技术将荧光粉被覆在芯片上（如图2），以形成均匀厚度的敷型涂布的结构，因此可获得非常均匀的白光，该技术也成功广泛地应用于Luxeon I 与K2 产品中，并已申请专利保护，其专利号码为US 6576488 B2 ，然而电泳被覆制程的制造成本昂贵，不利于降低LED 的售价， 因Lumileds 公司于2008 年提出新的敷型涂布之方法，名为Lumiramic Phosphor Plate，直接将它贴附在芯片上即可使蓝光转换成白光，此方法具有高度的色彩控制能力，可有效地降低Binning 的数目。

图1、三种荧光粉涂布结构示意图(a) Uniform Distribution；(b) Conformal Distribution；(c) Remote Phosphor

图2、电泳被覆技术产生一荧光粉Conformal Coating 的示意图

硅胶透镜(Silicone Lens)的曲率与折射率
由于高功率LED 的操作功率不断地增加，使LED 整体组件的温度也会随之升高，在此种工作环境下，传统的环氧树脂封装材料因无法承受此一高温而会产生材料劣化（黄化），并引发LED 的亮度衰减。为避免此现象产生，必须设法寻找适合于高功率LED 的封装胶材。Silicone 因具有高折射率、高耐温性、绝缘性、化学稳定性、高透光性（波长范围介于300~700nm 间）与高可靠度等特性，因此成为高功率LED封装材料的最佳选择对象。

目前生产硅胶最主要的厂商有Shin-Etsu 、Dow Corning 、NuSil 与Momentive（原GE Toshiba）等，其高功率LED 封装材的产品特性整理于表1，供读者参考。从表中可知， 其Silicone 的折射率皆介于1.4~1.41 之间，由此可推断Silicone 的官能基应为二甲基(Dimethyl)，且其硬度应落于Shore A 范围。根据此硬度值，可将这些硅胶封装材归类于软性材质并被称为Rubber或Elastomer；若欲选用高硬度硅胶封装材时，则硅胶材质的官能基需做调整。另外，这些硅胶封装材的固化条件大致上皆需要在150℃ 烤箱内烘烤超过1 小时才能达到硬化，并获得标示上的硬度。

表1、市面上常见的Silicone 封装材产品及其特性一览表

1.硅胶透镜的曲率
从市售的商品中不难发现，高功率LED 有些含有透镜结构，而有些则无。由于无透镜结构设计的成本较低廉，因此较常被选用，然而其光通量并非最优越者，因此，往往需增加一透镜结构来提升LED的光通量，如图3所示。当透镜的高度(h)等于透镜的半径时，其LED 的出光率会高于平板式LED ，但当透镜的高度等于透镜半径的一半时， LED 的出光率反而会低于平板式LED ，根据这些结果可知，出光率与透镜结构有关，而透镜的曲率也会影响全反射的多寡，当光从高折射率介质进入低折射率介质时，即会发生全反射。LED若具有透镜结构则可减少全反射之产生，因而可增加其出光率。

图3、出光率与透镜结构的关系图

2.Silicone Lens 的折射率（略）
3.硅胶透镜的制造技术（略）

结　论
若欲将高功率LED 封装技术发挥至淋漓尽致，则须着重LED 封装技术的每一环节，包括支架的设计、芯片的选择与排列方式、固晶方式、金线线型与粗细、荧光粉种类与涂布结构、Silicone Lens 的曲率与折射率等，唯有如此才能制作出一极致的LED 封装。从专利申请件数中也可发现，国内厂商对于LED 封装技术的着墨甚少，只有少部份专利集中于支架设计上，至于其它技术则揭露甚少，此将不利于与竞争对手相互竞争，有鉴于此，本文藉此抛砖引玉，期盼国内厂商能对于揭露专利多下点功夫，并望于未来照明市场中能占有一席之地。