LED照明應(yīng)用的快速興起，預(yù)期將擴大高功率LED的產(chǎn)品需求，為確保高功率LED能符合市場要求，封裝業(yè)者試圖借由改善封裝材料、晶粒配置等方面，以真正達成高性價比與延長使用壽命的目的。
產(chǎn)業(yè)界時常發(fā)表的高功率發(fā)光二極管(LED)光源，多為數(shù)十瓦甚至上百瓦的LED封裝技術(shù)，以光系統(tǒng)應(yīng)用端的角度觀之，實無太大意義，反而是如何能將數(shù)十至上百瓦的熱消除才是關(guān)鍵。而要達成此一目標，須能有效降低單一LED封裝之熱阻值(Rjc)。
LED封裝所驅(qū)動的功率大小受限于封裝體熱阻與所搭配之散熱模塊(Rca)，兩者決定LED的系統(tǒng)熱阻和穩(wěn)態(tài)所能忍受的最大功率值。為降低封裝熱阻，業(yè)者試圖加大封裝體內(nèi)LED晶粒分布距離，然LED晶粒分布面積不宜太大，過大的發(fā)光面積會使后續(xù)光學(xué)難以處理，也限制該產(chǎn)品的應(yīng)用。不可一味將更多的LED晶粒封裝于單一體內(nèi)，以求達到高功率封裝目的，因為仍有諸多因素待考慮，尤其是對于應(yīng)用面。
多晶粒封裝材料不斷發(fā)展
隨著LED封裝功率提升，多晶粒封裝(Multi-chip Package)成為趨勢，傳統(tǒng)高功率LED封裝多采用塑料射出之預(yù)成型導(dǎo)線架(Pre-mold Lead Frame)方式(圖1a)，封裝載體(Carrier)又稱為芯片承載(Die Pad)，為一連續(xù)的金屬塊，已無法滿足多晶粒串接之電性需求，電性串并聯(lián)方式直接影響LED晶粒電測分檔(Bin)的精密程度、可靠度壽命以及封裝體在應(yīng)用時所需要的驅(qū)動電路設(shè)計。于是眾多LED封裝型式陸續(xù)被提出，圖2舉出幾個代表性高功率LED封裝典型例子。
圖1 常見高功率LED封裝結(jié)構(gòu)示意
圖2 典型具代表性之高功率LED封裝
廣為業(yè)界使用的高功率LED封裝結(jié)構(gòu)，主要的差異大致可從封裝載體之材料選用做區(qū)分，實現(xiàn)方式不外乎采用高導(dǎo)熱陶瓷基材或直接在金屬基材上做植晶封裝(圖1b)，成為板上芯片(Chip On Board, COB)的封裝形式。但因為高導(dǎo)熱陶瓷基材價格居高不下，另有經(jīng)濟的選擇，為使用低導(dǎo)熱積層陶瓷配合熱導(dǎo)通孔(Thermal Via)的設(shè)計(圖1c)，熱導(dǎo)通孔內(nèi)添入燒結(jié)金屬(如銀材)作為導(dǎo)熱路徑；此外，亦另有先進的作法，是使用半導(dǎo)體制程硅材為載體(圖1d)達到熱電分離，同時兼具高功率密度和低熱阻(＜0.5℃/W)特性，可望將高功率LED封裝導(dǎo)入另一項革命。隨著LED功率和功率密度升級，將加速LED在各應(yīng)用領(lǐng)域逐次取代傳統(tǒng)光源。
一級光學(xué)鏡片封裝材料選用舉足輕重
耐高溫且穩(wěn)定的封合膠體(Encapsulation)已被廣泛采用，不同硅膠基材間的取舍，除了加工性外，主要在于折射率的考慮，其將影響封裝體的光學(xué)特性，此包括光分配(Beam Distribution)與出光效率等。為維持穩(wěn)定一致的光學(xué)質(zhì)量，賦予一級光學(xué)鏡片(Primary Lens)有其必要性，好的鏡片設(shè)計可提供更佳的光輸出質(zhì)量，如更均勻的光強度、色坐標分布等，對于LED的有效出光有絕對的影響。
一級光學(xué)鏡片的設(shè)計，各家自有其道，一般在第一階出光多采用大出光角(≧120o)方式，再透過后續(xù)的二階光學(xué)處理調(diào)整達所需要的光形，大出光角的另一好處，是有利于將光萃取出來，呈現(xiàn)更好的發(fā)光效率值。
一級光學(xué)材料的選用是很大的關(guān)鍵點，在過去，受限于可光學(xué)成型材料的瓶頸，多數(shù)以光學(xué)聚碳酸脂(PC)或光學(xué)壓克力(PMMA)材質(zhì)為主(低階產(chǎn)品甚或有使用氧樹脂的例子)，現(xiàn)階段因硅膠材性質(zhì)已多有突破，陸續(xù)被使用在一級光學(xué)鏡片，然因膠材乃屬黏彈性非堅硬結(jié)構(gòu)，在光學(xué)精準性上會受到交鏈反應(yīng)收縮程度差異影響，同時因硅膠容易吸收水氣，在高潮濕環(huán)境下，硅膠鏡片可能因吸濕膨脹而使原先設(shè)計的配光發(fā)生變化，硅膠材應(yīng)用在高功率LED封裝，適處于推廣階段。至于在光學(xué)鏡片材料選用上，還有另一種可行方式，對于實現(xiàn)更精致光學(xué)質(zhì)量與高度可靠度需求者，可選用穩(wěn)定的玻璃鏡片，滿足長壽命和容許惡劣使用環(huán)境下嚴格考驗。
有效降低熱阻值為首要課題
LED封裝推向高功率，首要面對熱的挑戰(zhàn)。熱效應(yīng)始終為各種材料特性退化的一大加速因子，如何掌控結(jié)點溫度，成為決定LED封裝功率值的主要因素，現(xiàn)階段固態(tài)照明產(chǎn)生白光的主流機制，仍以可見藍光(450～470奈米)透過熒光材(Phosphor)激發(fā)黃色光譜混合，而產(chǎn)生人類視覺上的白光。
市面上可見之藍光晶粒技術(shù)已達一定水平，晶粒本身對熱沖擊的忍受程度相當大(溫度每提升10℃、發(fā)光效率衰退小于1%)，然而熱對于所有類型熒光材的效應(yīng)則相對敏感，熒光材之光轉(zhuǎn)換效率隨溫度上升而降低(圖3)，同時影響熒光材料壽命，特別當熒光材料溫度超過70℃以上時會急速衰退，此意味著LED結(jié)點溫度(Junction Temperature, Tj)須有效控制在70℃以下，始能有效確保LED可用壽命(一般壽命以L70計算，LED衰退至原來亮度70%之時間)，作為壽命判斷依據(jù)，而此要求一般皆在20,000小時以上。因此，當討論LED最高功率以及效能時，須考慮其于正常操作狀態(tài)下，達熱穩(wěn)定時之結(jié)果去推算始具意義。LED封裝體自身之熱阻，決定該封裝所能承受的最大功率，如何有效降低Rjc值，是為高功率LED封裝須面對的一大挑戰(zhàn)。
圖3 熒光材光轉(zhuǎn)換效率隨溫度之變化
成本、電性、可靠度為封裝體晶粒配置三大評估標準
LED晶粒的工作電流密度有其上限(以40×40密爾(mil)芯片面積為例，依芯片等級，驅(qū)動電流從350～1,000毫安皆有，然而提高LED功率最直接的作法，是提高LED封裝內(nèi)的總晶粒面積，作法不外乎增加晶粒大小，或是提高晶粒數(shù)目(采用多晶封裝方式)，各有其優(yōu)缺點，可從晶粒成本、電性考慮、以及可靠度壽命等角度予以評估：
? 成本考慮
以大尺寸80密爾晶粒為例，其面積相當于四個40密爾晶粒，然對于晶粒價格而言，80密爾的晶粒成本，因良率因素，必定高于四個40密爾的成本。
? 電性連接方式
從電性的角度來看，80密爾晶粒相當于將四個40密爾晶粒以并聯(lián)形式連接(圖4a)，而若使用四個40密爾晶粒，則可以選擇透過打線(Wire Bonding)方法以串聯(lián)形式連接(圖4b)，串聯(lián)與并聯(lián)方式的差異，可反應(yīng)在性能表現(xiàn)，了解每顆LED晶粒的順相電壓(Forward Voltage, Vf)皆有差異，換句話說，也就是各晶粒單元的內(nèi)阻值不一，四顆晶粒并聯(lián)驅(qū)動，必有電流分布不均問題，電流分配較大的晶粒，光轉(zhuǎn)換效率大同時也加速晶粒老化，電流分配不足的晶粒，則無法釋放出足夠的光能，結(jié)果使整體的發(fā)光效率不如預(yù)期。
圖4 于相同的晶粒面積條件下，不同晶粒大小相對應(yīng)之電性連接示意
? 可靠度壽命
大晶粒因有電流分布不均現(xiàn)象，電流密度大的區(qū)域加速老化，LED老化的結(jié)果是阻值降低，導(dǎo)致該區(qū)域電流密度(Current Density)愈來愈大，也形成所謂的熱點(Hot Spot)，惡性循環(huán)的結(jié)果會加速LED衰退。因此，LED在相同電流密度操作下，大晶粒的可靠度壽命較小晶粒短。
總的來說，采用串聯(lián)形式是比較有利的作法，然大尺寸晶粒卻有其他方面的優(yōu)勢，在光學(xué)處理上，大尺寸晶粒相較于多個小尺寸晶粒，更趨近于點光源，較容易處理。大、小晶粒尺寸間的取舍端視應(yīng)用領(lǐng)域而定，在實際操作上，仍須考慮封裝的制程可行性以及LED驅(qū)動電路組件的搭配性。
整合共通平臺有助于降低開發(fā)成本
回顧2001年，Lumiled Luxeon首推出1瓦高功率LED盛極一時，以當時的封裝，可謂經(jīng)典設(shè)計，眾多周邊廠商紛紛推出搭配Luxeon的周邊零件，包括二次光學(xué)、散熱基板、熱模塊、驅(qū)動電路等，采取Luxeon封裝可毋須顧慮光學(xué)模塊，并有各式驅(qū)動電路可供用，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)時程。反觀現(xiàn)階段高功率LED封裝，各廠自有其獨特規(guī)格，彼此間完全沒有可共通的零配件可交互使用，即使是當年紅極一時的Lumiled(現(xiàn)已并入飛利浦)，亦打破過去一貫的設(shè)計傳統(tǒng)，使得原先配合之周邊零組件廠無所適從。在沒有整合共通平臺的發(fā)展下，可以預(yù)期的結(jié)果是各廠自行開發(fā)其高功率LED封裝規(guī)格，使得下游系統(tǒng)應(yīng)用廠使用更加困難，除非鎖定某單一LED供應(yīng)源，否則若欲同時有二至三種供貨來源，則須投入倍數(shù)的開發(fā)成本于同一產(chǎn)品上。通用平臺的無法實現(xiàn)，可以預(yù)期最后的局勢為弱肉強食，而非共享甜美果實的結(jié)局。
演色性、色彩均勻、價格挑戰(zhàn)越來越大
白光LED近年來突飛猛進，高功率LED取代傳統(tǒng)光源展現(xiàn)在節(jié)能的效益已獲證實，2008年初可以量產(chǎn)的白光LED封裝已突破每瓦70流明水平，超越傳統(tǒng)通用照明最為普及的省電燈泡(管)。可以預(yù)見在未來的一年，大于每瓦100流明的可商業(yè)化白光LED即將面世。在一味追求高發(fā)光效率的同時，亦期待LED業(yè)界在光學(xué)質(zhì)量同樣獲得提升，包括：
? 對演色性的追求
使用于室內(nèi)照明的光源，人們強調(diào)光源的演色性，目的在使被照物體呈現(xiàn)更自然色彩，如何提升演色性(CRI＞80)，這部分須仰賴晶粒廠與熒光材廠的齊力配合，使激發(fā)光譜更加寬廣、且更接近于大自然光源。
? 提升光色彩均勻度
許多LED投射出的光色彩均勻度不理想，經(jīng)常可見者為外圍黃圈問題(光靠近外圈之色溫低于中心區(qū)域)，即便是國際知名LED封裝大廠亦難解此課題，此須同時從封裝結(jié)構(gòu)，光學(xué)設(shè)計以及熒光體涂布制程技術(shù)等并行處理。
? 價格普及化
高功率LED封裝的最大市場，在于廣大的通用照明，未來LED何時能廣泛被應(yīng)用，只剩價格問題，預(yù)估LED封裝成品價格低于100流明下1.5美元的性價比，同時LED效能仍須維持在每瓦70流明以上之水平，而交流對直流(AC-DC)驅(qū)動電路價格低于每瓦0.3美元，則將是高功率LED在固態(tài)照明正式被啟動的時間點。
LED性能對產(chǎn)品壽命影響巨大
在LED特性的表現(xiàn)上，封裝業(yè)的角度僅呈現(xiàn)組件之初始特性(Initial Characteristic, i.e., Tj=25℃)，然在實際應(yīng)用上，用戶想知道的是產(chǎn)品在持續(xù)操作之穩(wěn)定狀態(tài)(Steady State)下的數(shù)據(jù)，如何讓終端的系統(tǒng)整合業(yè)者，以高功率LED封裝設(shè)計產(chǎn)品時能有效掌控LED特性，須忠實提供客戶關(guān)于LED封裝體熱阻、LED光通量隨結(jié)點溫度(Tj)變化之關(guān)系以及結(jié)點溫度對于LED壽命的影響。
對于系統(tǒng)用戶而言，LED封裝體等于一個電子組件，如同一般其他電子組件的表達方式，唯有提供足夠的組件特性(尤其在對熱的性能表現(xiàn)上)，在組件使用上，才有辦法合理的預(yù)估產(chǎn)品壽命，維護消費者信心。