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改良封裝技巧 提高HB LED光通量

毫無疑問,這個世界需要高亮度發光二極管(HB LED),不僅是高亮度的白光LED(HB WLED),也包含高亮度的各色LED,且從現在起的未來更是積極努力與需要超高亮度的LED(UHD LED)。
  用LED背光代替手持裝置原有的EL背光、CCFL背光,不僅電路設計更簡潔輕易,且有較高的抗外力性。用LED背光代替液晶電視原有的CCFL背光,不僅更環保而且顯示更逼真亮麗。用LED照明代替白光燈、鹵素燈等照明,不僅更光明省電,應用也更長效,且點亮反應更快,用于煞車燈時能減少后車追撞率。所以,LED從過往只能用在電子裝置的狀態唆使燈,提高到成為液晶顯示的背光,再擴大到電子照明及大眾,顯示,如車用燈、交通信號燈、信息廣告牌、大型影視墻,甚至是投影機內的照明等,其利用仍在持續延伸。更重要的是,LED的亮度效率就如同摩爾定律(Moore''s Law)一樣,每24個月晉升一倍,過往認為白光LED只能用來代替過于耗電的白熾燈、鹵素燈,即發光效率在10~30lm/W內的層次,然而在白光LED突破60lm/W甚至達100lm/W后,就連熒光燈、高壓氣體放電燈等也開端感受到要挾。
  固然LED持續加強亮度及發光效率,但除了核心的熒光質、混光等專利技巧外,對封裝來說也將是愈來愈大的挑釁,且是雙重艱苦的挑釁,一方面封裝必需讓LED有最大的取光率、最高的光通量,使光折損降至最低,同時還要重視光的發散角度、光均性、與導光板的搭配性。另一方面,封裝必需讓LED有最佳的散熱性,特別是HB(高亮度)幾乎意味著HP(高功率、高用電),進出LED的電流值持續在增大,倘若不能良好散熱,則不僅會使LED的亮度削弱,還會縮短LED的應用壽命。所以,持續尋求高亮度的LED,其應用的封裝技巧若沒有對應的強化晉升,那么高亮度表現也會因此打折,因此本文將針對HB LED的封裝技巧進行更多討論,包含光通方面的討論,也包含熱導方面的討論。
***晶層:“量子井、多量子井”晉升“光轉效率”
  固然本文重要在談論LED封裝對光通量的強化,但在此也不得不先闡明更深層核心的***晶部分,畢竟***晶結構的改良也能使光通量大幅晉升。首先是強化光轉效率,這也是最根源之道,現有LED的每瓦用電中,僅有15%~2%被轉化成光能,其余都被轉化成熱能并消散掉(廢熱),而晉升此一轉換效率的重點就在p-n接面(p-n junction)上,p-n接面是LED重要的發光發熱地位,透過p-n接面的結構設計轉變可晉升轉化效率。目前多是在p-n接面上開鑿量子井(Quantum Well;QW),以此來晉升用電轉換成光能的比例,更進一步的也將朝更多的開鑿數來努力,即是多量子井(Multiple Quantum Well;MQW)技巧。
“換料改構、光透光折”拉高“出光效率”
  假如光轉效率難再請求,進一步的就必需從出光效率的層面下手,此層面的作法相當多,根據不同的化合材料也有不同,目前HB LED較常應用的兩種化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN,前者用來產生高亮度的橘紅、橙、黃、綠光,后者GaN用來產生綠、翠綠、藍光,以及用InGaN產生近紫外線、藍綠、藍光。方法包含轉變實體幾何結構(橫向轉成垂直)、換用基板(substrate,也稱:襯底)的材料、參加新的材料層、轉變材料層的接合方法、不同的材料表面處理等。不過,無論如何變更,大體都不離兩個原則:一、下降遮蔽、增加光透率。二、強化光折射、反射的利用率。如過往AlGaInP的LED,其基板所用的材料為GaAs,然玄色表面的GaAs使p-n接面散發出的光有一半被遮擋接收,造成光能的浪費,因此改用透明的GaP材料來做基板。又如日本日亞化學產業(Nichia),將p型電極(p type)部分做成網紋狀(Mesh Pattern),以此來增加p極的透明度,減少光阻礙同時晉升光透量。至于增加折反射上,在AlGaInP的結構中增加一層DBR(Distributed Bragg Reflector)反射層,將另一邊的光源折向同一邊。GaN方面則將基板材料換成藍寶石(三氧化二鋁)來增加反射,同時將基板表面設計成凹凸紋狀,藉此增加光反射后的散射角度,進而使取光率晉升。或如德國歐司朗(OSRAM)應用SiC材料的基板,并將基板設計成斜面,也有助于增加反射,或參加銀質、鋁質的金屬鏡射層。
封裝層:抗老化黃光、透光率捍衛戰
  從***晶層面努力增加光明后,接著就正式從封裝層面接手,務使光通保持最高、光衰減至最少。
  要有高的流明保持率(Transmittance),第一步是封裝材質。過往LED最常用的是環氧樹脂(epoxy),但環氧樹脂老化后會逐漸變黃,進而影響光明色彩,尤其波長愈低時老化愈快,特別是部分WLED應用近紫外線(Near ultraviolet)發光,與其它可見光相比其波長又更低,老化更快。新的提案是用硅樹脂(silicone),例如美國Lumileds公司的Luxeon系列LED即是改采硅封膠。不只是Lumileds Luxeon,其它業者也都有硅膠計劃,如通用電氣.東芝公司的InvisiSi1,東麗.道康寧的SR 7010等也都是LED的硅膠封裝計劃。
  硅膠除了對低波長有較佳的抗受性、較不易老化外,硅膠阻隔近紫外線使其不過泄也是對人體健康的一種保護,此外硅膠的光透率、折射率、耐熱性都很幻想。GE Toshiba的InvisiSi1具有高達1.5~1.53的折射率,波長范疇在350nm~800nm間的光透率達95%,且波長低至300nm時仍有75%~80%的光透,將折射率降至1.41,即便是300nm波長也能保持95%的光透性。Dow Coring Toray的SR 7010在405nm波長以上時間透率達99%,且硬化處理后折射率亦有1.51,另外耐熱上也都能達180℃~200℃的程度。此外,也有業者提出所謂的無樹脂封裝,即是用玻璃來作為外套保護,如日本京瓷(Kyocera)提出的陶瓷封裝,都是為了抗老化而提出,其中陶瓷也有較佳的耐熱后果。
封裝層:透鏡的透射 反射杯的反射、折射
  在用膠封裝完后,根據LED的不同用處會有各種不同的接續作法,例如做成一個一個的獨立封裝組件,過往最典范的單顆LED唆使燈即是如此。另一種則是將多個LED并成一個整體性組件,如七段顯示器、點陣型顯示器等。此外焊接腳位方面也有兩種區分,即穿孔技巧(Through-Hole Technology)及表面黏著技巧(Su***ce-Mount Technology)。
  就逐一獨立、分別、離散性的封裝來說,也要因應不同的利用而有不同的封裝外觀。若是作為穿孔性焊接的狀態唆使燈則只要采行燈泡(Lamp)型態的封裝(俗稱成“炮彈型”),即便是此也還有透鏡型態(Lens Type)的差別,如典范Lamp、卵橢圓Oval、超卵橢圓Super Oval、平直Flat等。而若是表面黏著型,也有頂視Top View、邊視Side View、圓頂Dome等。
  為何要有各種不同的透鏡外型?就一般而言,Lamp用來做唆使燈號、Oval用于戶外標示或號志、Top View用來做直落式的背光、Flat與Side View配合導光板(Guide Plate)作側邊進光式的背光、Dome作為小型照明燈泡、小型閃光燈等。外型不同、利用不同,發光的可視角度(View Angle)也就不同,此部分也就再次考驗封裝設計。應用不同的設計方法,可以獲得不同的發光角度、光強度、光通量,此方面常見的做法有四:中軸透鏡Axial lens、平直透鏡Flat lens、反射杯Reflective cup、島塊反射杯Reflective cup by island。一般的Lamp用的即是中軸透鏡法,Dome及Oval/Super Oval等也類似,但Oval/Super Oval的光明比Lamp更集中在軸向的小角度內。而Flat則是用平直透鏡法,利益是光視角比中軸透鏡法更大,但毛病是光通量下降、光強度削弱。至于Top View、Side View等則多用反射杯或島塊反射杯,此作法是在封裝內參加反射鏡,對部分發散角度的光束進行反射、折射等收斂動作,使角度與光強度能取得平衡。
  就技巧難易來說,只用上透鏡的Axial lens、Flat lens較為簡易,只要考慮透射與光束發散性,相對的有Reflective cup就不同了,原有的透射、發散都要考慮,還要考慮反射、折射以及光束收斂,更加復雜。
  材質方面,透鏡部分除了可持續用原有的覆膠材質外也可以改用其它材質,由于透鏡已較為講究光透而不講究***晶防護,如此還可采行塑料(Plastic)、壓克力(Acrylic)、玻璃(Glass)、聚碳酸酯(Polycarbonate)等,且如之前所述,光透性與波長有關,不同波長光透度不同,再加上有不同的材質可選擇,甚至要為透鏡上色,好增加光色的對照度,或視利用處合的裝飾后果(玩具、圣誕樹),還有前面的透鏡、反射杯等幾何設計等,以上種種構成了LED光通上的第四道課題。
結語
  HB LED被人夸張為“綠色照明”,言下之意“環保”是其很大的訴求點,所以不僅要無鉛(Pb Free)封裝,還要合乎本日歐洲RoHS(限用迫害物質指令)的法令規范,無論封裝與LED整體都不能含有汞、鎘、六價鉻(hexavalent c h romium)、多溴聯苯(PolyBrominated Biphenyls;PBB)、多溴聯苯醚(PolyBrominated Diphenyl Ether;PBDE)等環境有害物,此外WEEE(放棄電子電機設備指令)等其它相干法規也必需遵照。
  前面我們也已經簡略提到封裝物必需能封阻與抗受低波長、紫外光,還要有必定的硬度來抗受機械外力,以及耐熱性,此外盡緣、抗靜電、抗濕也都必需留心。更重要的是,無論是否高亮度,都必需盡可能將光明導出,由于,若不能忠誠導出光能,光能在封裝層內被接收,就會轉化成熱能,為封裝上的散熱標題又添一項課題,LED的熱若不能順利排解與下降,成為熱負荷,反過來一樣要損害LED本體,包含亮度也會受到影響,因此,達到最佳、最幻想的光通,是封裝設計必定要器重課題!