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高亮度LED之「封裝光通」原理技術探析

晨怡热管 DigiTimes.com 郭長祐 2008-1-22 0:26:57

高亮度LED技術與應用趨勢(1)高亮度LED之「封裝光通」原理技術探析

高亮度LED技術與應用趨勢(2)反射式高亮度LED帶動液晶投影機變革

高亮度LED技術與應用趨勢(3)散熱問題持續困擾高功率白光LED的應用

高亮度LED技術與應用趨勢(4)高亮度LED之「封裝熱導」原理技術探析

高亮度LED技術與應用趨勢(5)白光LED頭燈技術發展與目前研究現況

 

前言:毫無疑問的,這個世界需要高亮度發光二極體(High Brightness Light-Emitting Diode;HB LED),不僅是高亮度的白光LED(HB WLED),也包括高亮度的各色LED,且從現在起的未來更是積極努力與需要超高亮度的LED(Ultra High Brightness LED,簡稱:UHD LED)。

 用LED背光取代手持裝置原有的EL背光、CCFL背光,不僅電路設計更簡潔容易,且有較高的外力抗受性。用LED背光取代液晶電視原有的CCFL背光,不僅更環保而且顯示更逼真亮麗。用LED照明取代白光燈、鹵素燈等照明,不僅更光亮省電,使用也更長效,且點亮反應更快,用於煞車燈時能減少後車追撞率。

 所以,LED從過去只能用在電子裝置的狀態指示燈,進步到成為液晶顯示的背光,再擴展到電子照明及公眾顯示,如車用燈、交通號誌燈、看板訊息跑馬燈、大型影視牆,甚至是投影機內的照明等,其應用仍在持續延伸。

 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個月提升一倍,過去認為白光LED只能用來取代過於耗電的白熾燈、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後,就連螢光燈、高壓氣體放電燈等也開始感受到威脅。

 雖然LED持續增強亮度及發光效率,但除了最核心的螢光質、混光等專利技術外,對封裝來說也將是愈來愈大的挑戰,且是雙重難題的挑戰,一方面封裝必須讓LED有最大的取光率、最高的光通量,使光折損降至最低,同時還要注重光的發散角度、光均性、與導光板的搭配性。

 另一方面,封裝必須讓LED有最佳的散熱性,特別是HB(高亮度)幾乎意味著HP(High Power,高功率、高用電),進出LED的電流值持續在增大,倘若不能良善散熱,則不僅會使LED的亮度減弱,還會縮短LED的使用壽命。

 所以,持續追求高亮度的LED,其使用的封裝技術若沒有對應的強化提升,那麼高亮度表現也會因此打折,因此本文將針對HB LED的封裝技術進行更多討論,包括光通方面的討論,也包括熱導方面的討論。

 附註:大陸方面稱為「發光二極管」。

 附註:一般而言,HB LED多指8lm/W(每瓦8流明)以上的發光效率。

 附註:一般而言,HP LED多指用電1W(瓦)以上,功耗瓦數以順向導通電壓乘以順向導通電流(Vf×If,f=forward)求得。

裸晶層:「量子井、多量子井」提升「光轉效率」

 雖然本文主要在談論LED封裝對光通量的強化,但在此也不得不先說明更深層核心的裸晶部分,畢竟裸晶結構的改善也能使光通量大幅提升。

 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%∼20%被轉化成光能,其餘都被轉化成熱能並消散掉(廢熱),而提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主要的發光發熱位置,透過p-n接面的結構設計改變可提升轉化效率。


▲量子井(Quantum Well;QW)的結構圖。(郭長祐製圖)



 關於此,目前多是在p-n接面上開鑿量子井(Quantum Well;QW),以此來提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)技術。

裸晶層:「換料改構、光透光折」拉高「出光效率」

 如果光轉效率難再要求,進一步的就必須從出光效率的層面下手,此層面的作法相當多,依據不同的化合材料也有不同,目前HB LED較常使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,後者GaN用來產生綠、翠綠、藍光,以及用InGaN產生近紫外線、藍綠、藍光。

 至於作法有哪些?這包括改變實體幾何結構(橫向轉成垂直)、換用基板(substrate,也稱:襯底)的材料、加入新的材料層、改變材料層的接合方式、不同的材料表面處理等。不過,無論如何變化,大體都不脫兩個要則:一、降低遮蔽、增加光透率。二、強化光折射、反射的利用率。

 舉例來說,過去AlGaInP的LED,其基板所用的材料為GaAs,然黑色表面的GaAs使p-n接面散發出的光有一半被遮擋吸收,造成光能的浪費,因此改用透明的GaP材料來做基板。又如日本日亞化學工業(Nichia)在GaN的LED中,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,減少光阻礙同時提升光透量。

 至於增加折反射上,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(Sapphire,Al2O3,三氧化二鋁)來增加反射,同時將基板表面設計成凹凸紋狀,藉此增加光反射後的散射角度,進而使取光率提升。或如德國歐司朗(OSRAM)使用SiC材料的基板,並將基板設計成斜面,也有助於增加反射,或加入銀質、鋁質的金屬鏡射層。


▲亮度提升的LED已經跨足到公眾場合的號誌應用,此為國內工地外圍的交通方向指示燈,即是用HB LED所組構成。(郭長祐攝影)



 附註:AlGaInP(磷化鋁鎵銦)也稱為「四元發光材料」,即是以Al、Ga、In、P四種元素化合而成。

 附註:在一般的圖形結構解說時,p-n接面也稱為「發光層,emitting layer或active layer、active region」。

 附註:除了減少光遮、增加反射外,有時換用不同技術的用意是在於規避其他業者已申請的專利。


▲各種AlGaInP LED的發光效能強化法,由左至右為技術先進度的差別,最左為最基礎標準的LED幾何結構,接著開始加入DBR(Distributed Bragg Reflector)反射層,再來是有DBR後再加入電流侷限(Current Blocking)技術,而最右為晶元光電的OMA(Omni-directional Mirror Adherence)全方位鏡面接合技術,該技術也將基板材質從GaAs換成Si。(圖片來源:晶元光電)


▲對GaN、InGaN化合材料的LED而言,也有其自有的一套製程結構光通強化法,以德國OSRAM來說,1999年還在使用標準結構,2002年就進展到ATON結構,2003年換成更佳的NOTA結構,2005年則是ThinGaN結構。(圖片來源:晶元光電)



封裝層:抗老化黃光、透光率保衛戰

 從裸晶層面努力增加光亮後,接著就正式從封裝層面接手,務使光通維持最高、光衰減至最少。

 要有高的流明保持率(Transmittance,透光率、穿透率,以百分比單位表示),第一步是封裝材質,過去LED最常用的是環氧樹脂(epoxy),不過環氧樹脂老化後會逐漸變黃(因「苯環」成份),進而影響光亮顏色,尤其波長愈低時老化愈快,特別是部分WLED使用近紫外線(Near ultraviolet)發光,與其他可見光相比其波長又更低,老化更快。

 新的提案是用矽樹脂(silicone)換替環氧樹脂,例如美國Lumileds公司的Luxeon系列LED即是改採矽封膠。

 使用矽膠的不只是Lumileds Luxeon,其他業者也都有矽膠方案,如通用電氣.東芝(GE Toshiba)公司的InvisiSi1,東麗.道康寧(Dow Coring Toray)的SR 7010等也都是LED的矽膠封裝方案。

 矽膠除了對低波長有較佳的抗受性、較不易老化外,矽膠阻隔近紫外線使其不外洩也是對人體健康的一種保護,此外矽膠的光透率、折射率、耐熱性都很理想,GE Toshiba的InvisiSi1具有高達1.5∼1.53的折射率,波長範疇在350nm∼800nm間的光透率達95%,且波長低至300nm時仍有75%∼80%的光透,或者與折射率進行取捨,將折射率降至1.41,如此即便是300nm波長也能維持95%的光透性。同樣的,Dow Coring Toray的SR 7010在405nm波長以上時光透率達99%,且硬化處理後折射率亦有1.51,另外耐熱上也都能達180℃∼200℃的水準,關於熱的問題我們在此暫不討論。

 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,或如日本京瓷(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效果。


▲Lumileds Lighting公司的Luxeon系列LED(InGaN)的橫切面圖,從圖中可知Luxeon用矽封裝進行裸晶防護,而非傳統的環氧樹脂。(圖片來源:Lumileds.com)


▲隨著使用時間的增長,LED的光通量也會逐漸降低,圖中是兩個LED的壽命光通量曲線比較,下方藍色線為一般5mm的WLED指示燈,上方紅色線則是高功率LED照明燈。(圖片來源:Lumileds.com)



 附註:另一個加速環氧樹脂老化變黃的因素來自溫度,高溫會加速老化。

封裝層:透鏡的透射 反射杯的反射、折射

 前述的封裝主要在於保護LED裸晶,並在保護之餘盡可能讓光熱忠實向外傳遞,接下來還是在封裝層面,不過不再是內覆的Resin部分,而是外蓋的Lens部分。

 在用膠封裝完後,依據LED的不同用途會有各種不同的接續作法,例如做成一個一個的獨立封裝元件,過去最典型的單顆LED指示燈即是如此,另一種則是將多個LED併成一個整體性元件,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,即穿孔技術(Through-Hole Technology;THT)及表面黏著技術(Surface-Mount Technology;SMT)。

 在此暫且不談論群集性的七段顯示器、點陣型顯示器,而就逐一獨立、分離、離散性的封裝來說,也要因應不同的應用而有不同的封裝外觀,若是與過往LED相同是做為穿孔性焊接的狀態指示燈則只要採行燈泡(Lamp)型態的封裝(今日也多俗稱成「炮彈型」),即便確定是此型也還有透鏡型態(Lens Type)的區別,如典型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?其實也有各自的應用需求,就一般而言,Lamp用來做指示燈號、Oval用於戶外標示或號誌、Top View用來做直落式的背光、Flat與Side View配合導光板(Guide Plate:LGP)做側邊入光式的背光、Dome做為小型照明燈泡、小型閃光燈等。

 外型不同、應用不同,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,運用不同的設計方式,可以獲得不同的發光角度、光強度、光通量,此方面常見的作法有四: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的光亮比Lamp更集中在軸向的小角度內。而Flat則是用平直透鏡法,好處是光視角比中軸透鏡法更大,但缺點是光通量降低、光強度減弱。至於Top View、Side View等則多用反射杯或島塊反射杯,此作法是在封裝內加入反射鏡,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。


▲日亞化學工業(Nichia)的5mm白光LED,圖中可見炮彈(Lamp)型封裝內部也使用碗狀的反射杯(Reflective cup)設計來強化光照角度及強度。(圖片來源:Ledstyles.de)



 就技術難易來說,只用上透鏡的Axial lens、Flat lens確實較為簡易,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、發散一樣要考慮,還要追加考慮反射、折射以及光束收斂,確實更加複雜。

 還有,我們還沒討論材質,透鏡部分除了可持續用原有的覆膠材質外也可以改用其他材質,因為透鏡已較為講究光透而較不講究裸晶防護,如此還可採行塑膠(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,好增加光色的對比度,或視應用場合的裝飾效果(玩具、耶誕樹),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。

 附註:今日有的LED也在Lamp型封裝內使用反射杯技術。

結尾

 最後,HB LED被人強調為「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,還要合乎今日歐洲RoHS(Restriction of Hazardous Substances Directive,限用危害物質指令)的法令規範,無論封裝與LED整體都不能含有汞、鎘、六價鉻(hexavalent chromium)、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(Waste Electrical and Electronic Equipment directive,廢棄電子電機設備指令)等其他相關法規也必須遵守。

 當然!前面我們也已經約略提到封裝物必須能封阻與抗受低波長、紫外光,還要有一定的硬度來抗受機械外力,以及耐熱性,此外絕緣、抗靜電、抗濕也都必須注意。

 更重要的是,無論您要不要高亮度,都必須盡可能將光亮導出,因為,若不能忠實導出光能,光能在封裝層內被吸收,就會轉化成熱能,為封裝上的散熱問題又添一項顧慮因素,事實上LED的熱若不能順利排解與降低,成為熱負荷,反過來一樣要傷害LED本體,包括亮度也會受到影響,因此,達到最佳、最理想的光通,是封裝設計必然要重視的一課!


▲Lambda Research Corporation的OSLO是專門用來設計透鏡的軟體,圖為OSLO EDU Edition(教育版)Revision 6.4.1,且已開啟「透鏡資料庫」中的某一設計範本:8mm、0.5 NA的雷射二極體準直儀,圖右下部分為其光射線的軌跡分析。

责任编辑: banye 参与评论
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