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導讀: LED因為材料特性與發光原理異于傳統光源，因此具備多項使用上的優勢，只是用于取代一般日常應用的光源時，LED固態的發光組件仍需要多重設計與改善，才能在發光效率、演色性、照明光型、電源效能等方面獲得強化，以通過照明應用市場的考驗 LED具備環保、壽命長、體積小、高指向性、固態形式不易損壞...等優點，已逐漸取代傳統鎢絲燈(白熾燈)、CCFL熒光燈，但在因應不同應用需求時，仍有發光效率、光型、散熱與成本等諸多問題，為使產品更能滿足需求，必須從LED組件端的封裝形式著手改善... LED因為材料特性與發光原理異于傳統光源，因此具備多項使用上的優勢，只是用于取代一般日常應用的光源時，LED固態的發光組件仍需要多重設計與改善，才能在發光效率、演色性、照明光型、電源效能等方面獲得強化，以通過照明應用市場的考驗。 在通用照明(General Lighting)市場中，LED固態照明想要加速普及，必須在短期內讓組件成本、制作技術、驗證標準...等層面一一到位，技術方面要提升色溫表現、演 色性與光電轉換效率，從照明系統的角度進行思考，仍須解決LED光源、AC/DC電源轉換、LED驅動控制、組件散熱和光學處理等關鍵面向。 薄膜芯片封裝技術 發展照明應用的重點 LED的光源應用，其關鍵就在芯片技術的核心發展，而影響LED組件發光特性、效率的關鍵就在于基底材料與晶圓生長技術的差異。 在LED的基底材料方面，除傳統藍寶石基底材料外，硅(Si)、碳化硅(SiC)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)...等，都是目前LED組件的開發 重點，無論所發展的光源應用是照明或是營造氣氛的環境光源，涵蓋大、小功率應用方式，芯片基底的技術提升，其目標在于制作出更高效率、更穩定的LED晶 片。 提高LED芯片的光電效率，已成為LED照明應用技術的關鍵指標，例如，藉由芯片結構的改變、芯片表面的粗化設計、多量子阱結構的設計形式，透過多重的制程技術改良，目前已能讓單個LED芯片的發光效率具有突破性的進展。 而薄膜芯片技術(Thin film LED)，則是用以開發高亮度LED芯片的關鍵技術， 其重點在減少芯片的側向光損失，透過底部的反射面搭配，可以讓芯片超過97%的電光反應，使光從芯片的正面直接輸出，大幅提高LED單位流明。 強化封裝技術 改善發光效率與光型 觀察目前常見的高功率LED封裝技術，大致可分為單顆芯片封裝、多芯片整合封裝與芯片板上封裝3種技術，而透過封裝技術的優化，可提升LED芯片的發光效率、散熱效果與產品可靠度。 在單顆芯片封裝方面，可讓單顆LED芯片大幅發揮照明優勢，例如，針對發光效率的改善、散熱熱阻抗的調整，或是制成易于產線生產組裝的SMT形式。單顆芯片 的封裝形式，于LED發光二極管最為常見，其技術瓶頸在于必須針對每個芯片進行良率控管，因為采單芯片封裝，若封裝處理的芯片本身就已損壞或效率不彰，封 裝成品也會呈現相同的料件問題，另在封裝階段亦可透過熒光粉體的封裝處理，去改善最終產品的輸出色溫或光型。 以Osram的 Golden DRAGON Plus LED為例，為采硅膠封填設計，封裝后的LED組件具170度光束角度，可以很容易地進行2次光學透鏡或是反光杯改善組件的光學特性，Golden DRAGON Plus LED的硅膠透鏡亦具耐高溫、光衰減較低等特性。單芯片封裝的優勢相當多，尤其在光效率提升、散熱效益提升與配光容易度、組件的高可靠性都相當值得關注。 多芯片整合封裝 小體積可具高光通量表現 所謂團結力量大，在LED組件封裝上亦是如此，如果一次將多LED芯片封裝在同一平面上，則可整合出一高功率整合組件。多芯片整合組件同時是目前常見的高功率、高亮度應用LED組件最常見的封裝形式，可區分為小功率與大功率兩種芯片整合形式。 在小功率應用方面，多數是采取6顆低功率LED芯片整合，制作出來的1瓦大功率LED固態發光組件最常見，而利用6個低功率芯片來整合的1瓦大功率應用，優 勢在于制作成本相對更低，而且多顆形式若有芯片來源的良率問題，也可利用周邊芯片補足應有的性能表現，不至于出現產品良率的負面問題，小功率整合的多芯片 封裝形式，也是目前大功率LED組件常見的制作形式。 而在大功率芯片整合部分，以Osram的OSTAR SMT系列為例，其封裝外型經過優化設計，占位體積相對小，最終組件可讓產品的熱阻抗控制于每瓦3.1℃左右，驅動功率亦高達15瓦，此種封裝設計有頗多優點，尤其可在受限空間內達到一般LED組件少有的高光通量表現。 Chip On Board可有效改善散熱問題 COB(Chip On Board) LED多晶燈板，為沿用傳統半導體技術發展的應用形式，意即直接將LED芯片固定于印刷電路板(PCB)，COB技術目前已有厚度僅0.3mm的LED元 件設計。由于LED芯片可直接與PCB板接觸來增加熱傳導面積，因此LED固態光源常見的散熱問題也可因此獲得改善。 將多數 LED組件安排于印刷電路板形成多重LED光源組合，可以提升LED固態光源的照明度，低功率驅動的組件通常會應用核心材料為FR4的一般印刷電路板來進 行產品的2次組構，在因應高功率驅動應用時，則會改采以金屬核心PCB強化LED組件需要的高散熱環境，藉由金屬核心PCB來降低熱阻抗。 金屬核心PCB即為使用MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board)，使組件能滿足較低熱阻的設計要求，典型的MCPCB設計架構是在金屬平面形成的線路同時以薄層進行隔離設計，而電路走線必須采用鎳金屬化合 物提供產線可焊接的加工表面，隔離層又必須具備避免短路、同時不會犧牲散熱速率的薄化設計，以便將熱傳導過程的熱阻降到最低。多數選擇鋁材料作為核心，具 有成本低廉、散熱能力佳與較好的抗腐蝕性等優點。 比較新的制作方式，是將LED芯片直接安裝于印刷電路板上，或者搭配具即插即用功能的組件進行整合，而COB的封裝形式，其目的在于提供比現有離散排布的LED組件具更高效能、更低熱阻抗的產品形式，讓終端產品可以經由簡單的二度開發，制出足以進軍照明市場的成熟產品。 |
