高亮度LED的封裝光通原理（下）

April 16, 2019

對GaN、InGaN化合材料的LED而言，也有其自有的一套制程結構光通強化法，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。

 

封裝層：抗老化黃光、透光率保衛(wèi)戰(zhàn)

 

從裸晶層面努力增加光亮后，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(huán)氧樹脂（epoxy），不過環(huán)氧樹脂老化后會逐漸變黃（因「苯環(huán)」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(fā)光，與其它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(huán)氧樹脂，例如美國Lumileds公司的Luxeon系列LED即是改采矽封膠。

 

使用矽膠的不只是Lumileds Luxeon，其它業(yè)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泄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1.51.53的折射率，波長范疇在350nm800nm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舍，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％，且硬化處理后折射率亦有1.51，另外耐熱上也都能達180℃200℃的水平，關于熱的問題我們在此暫不討論。

 

此外，也有業(yè)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(tǒng)的環(huán)氧樹脂。

 

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。

 

附注６：另一個加速環(huán)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

 

前述的封裝主要在于保護LED裸晶，并在保護之余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(nèi)覆的Resin部分，而是外蓋的Lens部分。

 

在用膠封裝完后，依據(jù)LED的不同用途會有各種不同的接續(xù)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并成一個整體性元件，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(qū)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(tài)指示燈則只要采行燈泡（Lamp）型態(tài)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(tài)（Lens Type）的區(qū)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用于戶外標示或號志、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(fā)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(fā)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(nèi)。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。至于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(nèi)加入反射鏡，對部分發(fā)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(yè)（Nichia）的5mm白光LED，圖中可見炮彈（Lamp）型封裝內(nèi)部也使用碗狀的反射杯（Reflective cup）設計來強化光照角度及強度。

 

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(fā)散性，相對的有Reflective cup就不同了，原有的透射、發(fā)散一樣要考慮，還要追加考慮反射、折射以及光束收斂，確實更加復雜。

 

還有，我們還沒討論材質，透鏡部分除了可持續(xù)用原有的覆膠材質外也可以改用其它材質，因為透鏡已較為講究光透而較不講究裸晶防護，如此還可采行塑料（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。

 

附注７：今日有的LED也在Lamp型封裝內(nèi)使用反射杯技術。

 

結束語

 

最后，HB LED被人強調(diào)為「綠色照明」，言下之意「環(huán)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(guī)范，無論封裝與LED整體都不能含有汞、鎘、六價鉻（hexavalent chromium）、多溴聯(lián)苯（PolyBrominated Biphenyls；PBB）、多溴聯(lián)苯醚（PolyBrominated Diphenyl Ether；PBDE）等環(huán)境有害物，此外WEEE（Waste Electrical and Electronic Equipment directive，廢棄電子電機設備指令）等其它相關法規(guī)也必須遵守。

 

當然！前面我們也已經(jīng)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?jié)褚捕急仨氉⒁狻?/p>

 

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(nèi)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！

 

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