LED封裝四大發(fā)展趨勢 - 全文

　　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方向發(fā)展，目前主要的亮點有硅基LED和高壓LED，硅基LED之所以引起業(yè)界越來越多的關(guān)注，是因為它比傳統(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就重點在發(fā)展硅基LED，它目前存在的主要問題是良率還較低，導(dǎo)致成本還偏高。

　　高壓LED是另一大亮點，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)動電源的效率，這可有效降低LED燈具對散熱外殼的要求，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。

　　LED封裝原理

　　LED封裝主要是提供LED芯片一個平臺，讓LED芯片有更好的光、電、熱的表現(xiàn)，好的封裝可讓LED有更好的發(fā)光效率與好的散熱環(huán)境，好的散熱環(huán)境進(jìn)而提升LED的使用壽命。LED封裝技術(shù)主要建構(gòu)在五個主要考慮因素上，分別為光學(xué)取出效率、熱阻、功率耗散、可靠性及性價比(Lm/$)。

　　以上每一個因素在封裝中都是相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)，舉例來說，光取出效率關(guān)系到性價比;熱阻關(guān)系到可靠性及產(chǎn)品壽命;功率耗散關(guān)系到客戶應(yīng)用。整體而言，較佳的封裝技術(shù)就是必須要兼顧每一點，但最重要的是要站在客戶立場思考，能滿足并超出客戶需求，就是好的封裝。

　　針對LED的封裝材料組成，林治民詳細(xì)解說道，LED封裝主要是由基板、芯片、固晶膠、熒光粉、封裝膠等組成，我們先將芯片利用固晶膠黏貼于基板上，使用金線將芯片與基板作電性連接，然后將熒光粉與封裝膠混合，搭配不同熒光粉比例，以及適當(dāng)?shù)男酒ㄩL可得到不同的顏色，最后將熒光粉與封裝膠的混合體灌入基板中，加熱烘烤使膠材固化后，即完成最基本的LED封裝。

　　他并指出，LED封裝技術(shù)主要是往高發(fā)光效率、高可靠性、高散熱能力與薄型化發(fā)展。從芯片來看，目前最普遍的是水平式芯片, 比較高端的廠商則研發(fā)垂直式芯片與覆晶型芯片，原先水平式LED使用藍(lán)寶石基板，散熱能力較差，且在高電流驅(qū)動下，光取出效率下降幅度也較大。因此，為了降低LED成本，高電流密度的芯片設(shè)計便以獲取更多的光輸出為主要研究方向，在這樣的考慮下，使用垂直式封裝的芯片便成為下一課題，此類芯片使用硅等高散熱基板，在高電流操作下有更好的散熱效率，所以也有更高的光輸出，但由于制作流程復(fù)雜，工藝良率過低，以致于無法達(dá)到理想的高性價比，由此可知，在高瓦數(shù)封裝上，工藝良率所導(dǎo)致的價格因素也是一大考慮。

　　臺積電子公司采鈺科技便是專攻晶圓級高功率LED硅基封裝技術(shù)的業(yè)者。該公司在2010年已打入中國路燈市場，2011年更將重心放在室內(nèi)照明球泡燈產(chǎn)品上。采鈺科技LED技術(shù)研發(fā)處長李豫華表示，以8吋磊晶計算，目前采鈺封裝產(chǎn)能為單月2千片、相當(dāng)于400萬顆，去年產(chǎn)品成功打入中國路燈產(chǎn)品，量大的時候甚至單月出貨量高達(dá)70-80萬顆。

　　與一般***LED封裝廠商采用的氧化鋁(藍(lán)寶石)基板技術(shù)不同，采鈺采用的是晶圓級LED硅基封裝技術(shù)，采鈺李豫華表示，硅基封裝LED在散熱方面優(yōu)于藍(lán)寶石基板，但目前售價也高于藍(lán)寶石基板的產(chǎn)品，不過，李豫華認(rèn)為在今年內(nèi)，采鈺硅基封裝與藍(lán)寶石基板產(chǎn)品的價格將趨于一致，采鈺更訂下目標(biāo)，希望每年成本下降幅度可達(dá)到30%。

　　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題，估計熱的問題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愈小，因此熱效應(yīng)問題在輸入驅(qū)動電流較高時便凸顯出來。也就是說，現(xiàn)在高功率LED需求愈來愈大，當(dāng)放進(jìn)小顆LED并將電源灌入后，熱量便會產(chǎn)生，為了要降低熱，光的亮度就會減小，這時為了要增加亮度，又得導(dǎo)入更高的電流，高電流又會產(chǎn)生更多的熱，如此成為一個循環(huán)，熱量就不斷增加。接合溫度過高，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(sub-mount)材料有陶瓷(氧化鋁、氮化鋁)和硅。其中，鋁基板有翹曲問題，且以導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散來看，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家的IC制造兼容晶圓級熒光粉涂布技術(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)計方式增加出光率的方法之一，也是采鈺獨家設(shè)計的晶圓級產(chǎn)品，鏡頭設(shè)計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，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，且機(jī)構(gòu)強(qiáng)度也是問題所在。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。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，目前并沒有跨入LED大尺寸背光源的計劃。在2012年***、日本、美國、加拿大將開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，公司也將球泡燈產(chǎn)品列入今年的發(fā)展重點。

　　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，更大大的簡化了覆晶型芯片封裝的技術(shù)門坎，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)動電壓也可下降，林治民強(qiáng)調(diào)，在未來節(jié)能減碳的驅(qū)動下，覆晶型芯片封裝會是很好的解決方案。

　　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)運用在高功率機(jī)種上，克服了硅成型與粘模等技術(shù)問題，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，無法像硅或樹脂提供較佳的耐熱與耐光能力，為了有效提升信賴性，億光也計劃將此轉(zhuǎn)注工藝技術(shù)運用在背光組件的產(chǎn)品上。

　　關(guān)于封裝尺寸，目前億光電子實驗當(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，身為開啟固態(tài)照明時代的先鋒分子，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施，制作此項產(chǎn)品所需的封裝支架，另外并會應(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)計符合新設(shè)計芯片結(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，針對此，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。葳天目前在中國大陸市場的經(jīng)營以礦工燈和建筑照明為主。邢陳震侖指出，礦工燈市場較為穩(wěn)定，雖然近幾年成長率并不高，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。

　　邢陳震侖指出，目前COB封裝用得比較多的是鋁基板、銅基板和陶瓷基板等。每種材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同，導(dǎo)致其導(dǎo)熱性能的差異，如鉆石的導(dǎo)熱系數(shù)是1000，其次是銀和銅為400左右，然后鋁是100多，而陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)在8-22之間。在絕緣材料中，陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)已經(jīng)算是不錯，加上價格便宜，故許多封裝選擇采用陶瓷基板。

　　大毅科技便是積極投入LED陶瓷散熱基板研發(fā)設(shè)計的業(yè)者之一，該公司運用純熟的厚膜與薄膜黃光工藝與專利的電鑄技術(shù)，從事LED散熱陶瓷基板的研發(fā)與生產(chǎn)，目前產(chǎn)品線必包含高功率LED封裝用陶瓷散熱基板。

　　高壓LED封裝

　　除高功率LED外，高壓LED的封裝也是一大重點。億光林治民表示，該公司已開發(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，而高壓產(chǎn)品的問世，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題，并進(jìn)而協(xié)助終端消費者降低購買成本。同時，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)，因此在封裝時應(yīng)采用全角度均勻披覆的熒光粉設(shè)計，以求封裝體在全視角色溫一致，進(jìn)而提升光的質(zhì)量。

　　林治民強(qiáng)調(diào)指出，高壓LED產(chǎn)品的封裝技術(shù)重點在于延續(xù)上述優(yōu)點，此外更應(yīng)提供消費者更多的便利性，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)計來符合全球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，因此在開發(fā)高壓LED封裝時，億光電子堅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性。