2014-03-21 15:01:12
LED封裝技術(shù)目前主要往高發(fā)光效率、高可靠性、高散熱能力與薄型化四個(gè)方向發(fā)展，目前主要的亮點(diǎn)有硅基LED和高壓LED，硅基LED之所以引起業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注，是因?yàn)樗葌鹘y(tǒng)的藍(lán)寶石基底LED的散熱能力更強(qiáng)，因此功率可做得更大，Cree就重點(diǎn)在發(fā)展硅基LED，它目前存在的主要問(wèn)題是良率還較低，導(dǎo)致成本還偏高.
高壓LED是另一大亮點(diǎn)，它因可大幅縮小DC-DC降壓電路的輸入輸出壓差，而進(jìn)一步提升LED驅(qū)動(dòng)電源的效率，這可有效降低LED燈具對(duì)散熱外殼的要求，從而降低LED燈具的總體成本。目前Cree、Osram和億光都在發(fā)展高壓LED工藝。億光電子((Everlight)研發(fā)二處處長(zhǎng)林治民表示：“未來(lái)億光將擴(kuò)大研發(fā)應(yīng)用高壓LED的產(chǎn)品，整合更多的組件，以打造簡(jiǎn)便應(yīng)用之微小光引擎，為降低燈具成本，為固態(tài)照明的普及盡一份心力?！?br /> 硅基板的良率尚低
硅基板的最大訴求為導(dǎo)熱更佳，李豫華進(jìn)一步指出，次世代照明的LED封裝需求最重要的就是散熱問(wèn)題，估計(jì)熱的問(wèn)題5年內(nèi)難解，其次則是需要強(qiáng)而有力的結(jié)構(gòu)體和穩(wěn)定可靠的材料。另外光的表現(xiàn)也很重要，像均勻性、光源強(qiáng)度、出光效率是否更優(yōu)異以及光的型式表現(xiàn)，最后就是量產(chǎn)和成本方面的管理。
LED封裝在這30年的演進(jìn)，最大的特色就是尺寸愈來(lái)愈小，因此熱效應(yīng)問(wèn)題在輸入驅(qū)動(dòng)電流較高時(shí)便凸顯出來(lái)。也就是說(shuō)，現(xiàn)在高功率LED需求愈來(lái)愈大，當(dāng)放進(jìn)小顆LED并將電源灌入后，熱量便會(huì)產(chǎn)生，為了要降低熱，光的亮度就會(huì)減小，這時(shí)為了要增加亮度，又得導(dǎo)入更高的電流，高電流又會(huì)產(chǎn)生更多的熱，如此成為一個(gè)循環(huán)，熱量就不斷增加。接合溫度過(guò)高，結(jié)果便是每升高20℃，LED效能就要降低5%(或每增加1℃，效能降0.25%)。
LED產(chǎn)生的90%熱量都是向下走，因此封裝技術(shù)中，散熱十分重要。整體而言，可供選擇的高功率LED次安裝基臺(tái)(sub-mount)材料有陶瓷(氧化鋁、氮化鋁)和硅。其中，鋁基板有翹曲問(wèn)題，且以導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散來(lái)看，硅是最佳選擇。
硅基LED封裝工藝流程為：絕緣及金屬層、芯片/金屬線鍵結(jié)及熒光材料涂布、透鏡組裝，再進(jìn)行切割與測(cè)試。使用硅晶圓方法可以藉以控制穿孔型式(單一或多重)，因而增加光萃取率，這是陶瓷基板所做不到的。李豫華并特別指出采鈺獨(dú)家的IC制造兼容晶圓級(jí)熒光粉涂布技術(shù)，可以在LED芯片最上層造就薄而高效能的熒光粉出光層，可改善黃暈現(xiàn)象，且此技術(shù)可控制色溫的一致性。
另外，半球形鏡頭為以光學(xué)設(shè)計(jì)方式增加出光率的方法之一，也是采鈺獨(dú)家設(shè)計(jì)的晶圓級(jí)產(chǎn)品，鏡頭設(shè)計(jì)符合各種出光形式的需求。此外，利用不同材料的折射率不同，由內(nèi)而外愈來(lái)愈小，亦可控制出光路徑使其出光率增加，此結(jié)構(gòu)模式可改善出光率逾7%。再者，藉由熒光粉補(bǔ)償過(guò)程可以達(dá)到緊密的色溫控制，因而良率可獲得提升，使原本低于70%的良率，經(jīng)由補(bǔ)償可以提升超過(guò)95%。目前采鈺的LED硅基封裝成品已經(jīng)在多處導(dǎo)入，包括大陸秦皇島、大陸京沈高速公路匝道的LED路燈及新竹清華大學(xué)校園等。
不過(guò)，LED硅基封裝仍有許多技術(shù)上面臨的挑戰(zhàn)需要克服，例如材料方面，硅材有容易碎裂的缺點(diǎn)，且機(jī)構(gòu)強(qiáng)度也是問(wèn)題所在。熒光粉則需考慮其電子亮度和熱及濕阻抗。另外，鏡頭的折射率及熱穩(wěn)定度、粘著性等都是考慮點(diǎn)。結(jié)構(gòu)方面，絕緣層、金屬層都有其挑戰(zhàn)。
采鈺專攻LED照明，目前并沒(méi)有跨入LED大尺寸背光源的計(jì)劃。在2012年臺(tái)灣、日本、美國(guó)、加拿大將開(kāi)始禁用白熾燈泡的政策下，采鈺認(rèn)為，2011年第3季LED暖白色球泡燈銷售量將爆發(fā)性成長(zhǎng)，公司也將球泡燈產(chǎn)品列入今年的發(fā)展重點(diǎn)。
覆晶型LED芯片封裝
除了上述垂直式芯片外，覆晶型芯片也是業(yè)界極力發(fā)展的目標(biāo)。覆晶型芯片的制作較立體型簡(jiǎn)單許多，且可避掉復(fù)雜工藝，使得量產(chǎn)可行性大幅提升，加上后端芯片工藝金手指和過(guò)孔技術(shù)成熟輔助，以往必須種植多顆金球的固晶方式轉(zhuǎn)變?yōu)榇竺娣eP、N電極直接黏著支架，搭配上eutectic固晶方式，更大大的簡(jiǎn)化了覆晶型芯片封裝的技術(shù)門(mén)坎，再者，縮短的封裝散熱路徑，相較于水平式芯片有較佳的散熱能力，驅(qū)動(dòng)電壓也可下降，林治民強(qiáng)調(diào)，在未來(lái)節(jié)能減碳的驅(qū)動(dòng)下，覆晶型芯片封裝會(huì)是很好的解決方案。
基于上述封裝的考慮，億光目前采用的主要封裝技術(shù)為熒光粉涂布以及轉(zhuǎn)注工藝。熒光涂布是億光發(fā)展的技術(shù)，主要是在芯片上覆蓋一層薄薄的熒光層，如此可大幅提升組件的發(fā)光效率，目前億光已將此產(chǎn)品運(yùn)用在高功率件上。
轉(zhuǎn)注工藝技術(shù)則原本是使用在小型的表面貼裝型產(chǎn)品上面，林治民表示，億光在此產(chǎn)品上獲得了很大的成功，并進(jìn)一步將此技術(shù)運(yùn)用在高功率機(jī)種上，克服了硅成型與粘模等技術(shù)問(wèn)題，目前由于TV等背光組件功率的提升與信賴性的要求，傳統(tǒng)的PPA反射蓋基板為有機(jī)材料，無(wú)法像硅或樹(shù)脂提供較佳的耐熱與耐光能力，為了有效提升信賴性，億光也計(jì)劃將此轉(zhuǎn)注工藝技術(shù)運(yùn)用在背光組件的產(chǎn)品上。
關(guān)于封裝尺寸，目前億光電子實(shí)驗(yàn)當(dāng)中所能達(dá)成之最小高功率封裝體尺寸為3.0 ×3.0mm，甚至是2.0×2. 0mm以下的樣品制備，然而目前市售最普遍的規(guī)格仍為3.5×3.5mm產(chǎn)品，此一產(chǎn)品的應(yīng)用面極為廣泛，因此，億光林治民表示，身為開(kāi)啟固態(tài)照明時(shí)代的先鋒分子，億光電子將持續(xù)將小尺寸高功率技術(shù)應(yīng)用于此產(chǎn)品上，以低成本的氮化鋁陶瓷基板搭配高反射率的反射鏡實(shí)施，制作此項(xiàng)產(chǎn)品所需的封裝支架，另外并會(huì)應(yīng)用共金固晶的工藝技術(shù)，藉由金屬快速的將熱由LED中心地帶導(dǎo)向高導(dǎo)熱的氮化鋁陶瓷，以期降低LED組件的操作溫度，達(dá)成高效率(150lm/w)、高功率(3-5W操作)、長(zhǎng)壽命(60000hrs)、低能耗的LED產(chǎn)品表現(xiàn)。
再者，芯片的選擇也非常重要，林治民表示，億光將與全球的優(yōu)質(zhì)合作伙伴共同致力于現(xiàn)有芯片的質(zhì)量改良與降低成本，以及新芯片結(jié)構(gòu)的快速開(kāi)發(fā)，以期能以成本最低之大量生產(chǎn)的硅膠壓模工藝技術(shù)，降低現(xiàn)有LED芯片工藝的封裝成本，并以快速反應(yīng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合新設(shè)計(jì)芯片結(jié)構(gòu)的取光效果，務(wù)求達(dá)成量產(chǎn)成本最低、效率最高的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
20W以上LED封裝
在LED封裝方面，COB封裝技術(shù)是另一大重點(diǎn)，針對(duì)此，葳天科技總經(jīng)理邢陳震侖認(rèn)為，10W以下LED不適用COB封裝技術(shù)，這個(gè)領(lǐng)域主流上仍然采用單顆大功率封裝形式；20W以上的LED則較適合采用COB封裝技術(shù)。葳天科技專注于大功率LED封裝技術(shù)的研發(fā)，晶元光電為其原始股東。葳天目前在中國(guó)大陸市場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)以礦工燈和建筑照明為主。邢陳震侖指出，礦工燈市場(chǎng)較為穩(wěn)定，雖然近幾年成長(zhǎng)率并不高，但是葳天在此領(lǐng)域保持較高的占有率。
2010年日本LED燈泡市場(chǎng)的快速擴(kuò)張成為全球LED照明的典型范例。目前日本LED球泡燈市場(chǎng)主要轉(zhuǎn)為以COB多晶封裝為主，傳統(tǒng)大功率芯片及模塊則大多用于MR16等指向性LED燈源。
高壓LED封裝
除高功率LED外，高壓LED的封裝也是一大重點(diǎn)。億光林治民表示，該公司已開(kāi)發(fā)一系列高壓LED的封裝產(chǎn)品，橫跨了1W、2W及4W的產(chǎn)品市場(chǎng)，而高壓產(chǎn)品的問(wèn)世，就是以全新的思維解決固態(tài)照明因降壓電路的存在而造成多余能量耗損的問(wèn)題，并進(jìn)而協(xié)助終端消費(fèi)者降低購(gòu)買(mǎi)成本。
林治民強(qiáng)調(diào)指出，高壓LED產(chǎn)品的封裝技術(shù)重點(diǎn)在于延續(xù)上述優(yōu)點(diǎn)，此外更應(yīng)提供消費(fèi)者更多的便利性，使得不同區(qū)域在不同的電壓操作條件下，都能得到快速且方便的應(yīng)用。例如億光電子推出的4W產(chǎn)品，可直接利用電路板的線路串并聯(lián)設(shè)計(jì)來(lái)符合全球110V及220V不同的電壓源需求。且由于單一組件封裝體的電壓跨壓，可達(dá)110V甚者220V，因此在開(kāi)發(fā)高壓LED封裝時(shí)，億光電子堅(jiān)持使用絕緣的陶瓷基板封裝體形式，以降低小尺寸之間正負(fù)電極火花放電的危險(xiǎn)性。
同時(shí)，由于高壓LED芯片本身具藍(lán)寶石基板，側(cè)向光較一般的芯片為強(qiáng)，因此在封裝時(shí)應(yīng)采用全角度均勻披覆的熒光粉設(shè)計(jì)，以求封裝體在全視角色溫一致，進(jìn)而提升光的質(zhì)量。
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