高亮度LED的封裝光通原理（上）

July 25, 2019

用LED背光取代手持裝置原有的EL背光、CCFL背光，不僅電路設(shè)計更簡潔容易，且有較高的外力抗受性。用LED背光取代液晶電視原有的CCFL背光，不僅更環(huán)保而且顯示更逼真亮麗。用LED照明取代白光燈、鹵素燈等照明，不僅更光亮省電，使用也更長效，且點亮反應(yīng)更快，用于車燈時能減少后車追撞率。

 

所以，LED從過去只能用在電子裝置的狀態(tài)指示燈，進步到成為液晶顯示的背光，再擴展到電子照明及公眾顯示，如車用燈、交通號志燈、看板訊息跑馬燈、大型影視墻，甚至是投影機內(nèi)的照明等，其應(yīng)用仍在持續(xù)延伸。

 

更重要的是，LED的亮度效率就如同摩爾定律（Moore''''s Law）一樣，每24個月提升一倍，過去認為白光LED只能用來取代過于耗電的白熾燈、鹵素燈，即發(fā)光效率在1030lm/W內(nèi)的層次，然而在白光LED突破60lm/W甚至達100lm/W后，就連螢光燈、高壓氣體放電燈等也開始感受到威脅。

 

雖然LED持續(xù)增強亮度及發(fā)光效率，但除了最核心的螢光質(zhì)、混光等專利技術(shù)外，對封裝來說也將是愈來愈大的挑戰(zhàn)，且是雙重難題的挑戰(zhàn)，一方面封裝必須讓LED有最大的取光率、最高的光通量，使光折損降至最低，同時還要注重光的發(fā)散角度、光均性、與導(dǎo)光板的搭配性。

 

另一方面，封裝必須讓LED有最佳的散熱性，特別是HB（高亮度）幾乎意味著HP（High Power，高功率、高用電），進出LED的電流值持續(xù)在增大，倘若不能良善散熱，則不僅會使LED的亮度減弱，還會縮短LED的使用壽命。

 

所以，持續(xù)追求高亮度的LED，其使用的封裝技術(shù)若沒有對應(yīng)的強化提升，那么高亮度表現(xiàn)也會因此打折，因此本文將針對HB LED的封裝技術(shù)進行更多討論，包括光通方面的討論，也包括熱導(dǎo)方面的討論。

 

附注１：一般而言，HB LED多指8lm/W（每瓦8流明）以上的發(fā)光效率。

 

附注２：一般而言，HP LED多指用電1W（瓦）以上，功耗瓦數(shù)以順向?qū)妷撼艘皂樝驅(qū)娏鳎╒f×If，f＝forward）求得。

 

裸晶層：「量子井、多量子井」提升「光轉(zhuǎn)效率」

 

雖然本文主要在談?wù)揕ED封裝對光通量的強化，但在此也不得不先說明更深層核心的裸晶部分，畢竟裸晶結(jié)構(gòu)的改善也能使光通量大幅提升。

 

首先是強化光轉(zhuǎn)效率，這也是最根源之道，現(xiàn)有LED的每瓦用電中，僅有15％20％被轉(zhuǎn)化成光能，其余都被轉(zhuǎn)化成熱能并消散掉（廢熱），而提升此一轉(zhuǎn)換效率的重點就在p-n接面（p-n junction）上，p-n接面是LED主要的發(fā)光發(fā)熱位置，透過p-n接面的結(jié)構(gòu)設(shè)計改變可提升轉(zhuǎn)化效率。

 

前言：毫無疑問的，這個世界需要高亮度發(fā)光二極管（High Brightness Light-Emitting Diode；HB LED），不僅是高亮度的白光LED（HB WLED），也包括高亮度的各色LED，且從現(xiàn)在起的未來更是積極努力與需要超高亮度的LED（Ultra High Brightness LED，簡稱：UHD LED）。

 

用LED背光取代手持裝置原有的EL背光、CCFL背光，不僅電路設(shè)計更簡潔容易，且有較高的外力抗受性。用LED背光取代液晶電視原有的CCFL背光，不僅更環(huán)保而且顯示更逼真亮麗。用LED照明取代白光燈、鹵素燈等照明，不僅更光亮省電，使用也更長效，且點亮反應(yīng)更快，用于煞車燈時能減少后車追撞率。

 

所以，LED從過去只能用在電子裝置的狀態(tài)指示燈，進步到成為液晶顯示的背光，再擴展到電子照明及公眾顯示，如車用燈、交通號志燈、看板訊息跑馬燈、大型影視墻，甚至是投影機內(nèi)的照明等，其應(yīng)用仍在持續(xù)延伸。

 

更重要的是，LED的亮度效率就如同摩爾定律（Moore''''s Law）一樣，每24個月提升一倍，過去認為白光LED只能用來取代過于耗電的白熾燈、鹵素燈，即發(fā)光效率在1030lm/W內(nèi)的層次，然而在白光LED突破60lm/W甚至達100lm/W后，就連螢光燈、高壓氣體放電燈等也開始感受到威脅。

 

雖然LED持續(xù)增強亮度及發(fā)光效率，但除了最核心的螢光質(zhì)、混光等專利技術(shù)外，對封裝來說也將是愈來愈大的挑戰(zhàn)，且是雙重難題的挑戰(zhàn)，一方面封裝必須讓LED有最大的取光率、最高的光通量，使光折損降至最低，同時還要注重光的發(fā)散角度、光均性、與導(dǎo)光板的搭配性。

 

另一方面，封裝必須讓LED有最佳的散熱性，特別是HB（高亮度）幾乎意味著HP（High Power，高功率、高用電），進出LED的電流值持續(xù)在增大，倘若不能良善散熱，則不僅會使LED的亮度減弱，還會縮短LED的使用壽命。

 

所以，持續(xù)追求高亮度的LED，其使用的封裝技術(shù)若沒有對應(yīng)的強化提升，那么高亮度表現(xiàn)也會因此打折，因此本文將針對HB LED的封裝技術(shù)進行更多討論，包括光通方面的討論，也包括熱導(dǎo)方面的討論。

 

附注１：一般而言，HB LED多指8lm/W（每瓦8流明）以上的發(fā)光效率。

 

附注２：一般而言，HP LED多指用電1W（瓦）以上，功耗瓦數(shù)以順向?qū)妷撼艘皂樝驅(qū)娏鳎╒f×If，f＝forward）求得。

 

裸晶層：「量子井、多量子井」提升「光轉(zhuǎn)效率」

 

雖然本文主要在談?wù)揕ED封裝對光通量的強化，但在此也不得不先說明更深層核心的裸晶部分，畢竟裸晶結(jié)構(gòu)的改善也能使光通量大幅提升。

 

首先是強化光轉(zhuǎn)效率，這也是最根源之道，現(xiàn)有LED的每瓦用電中，僅有15％20％被轉(zhuǎn)化成光能，其余都被轉(zhuǎn)化成熱能并消散掉（廢熱），而提升此一轉(zhuǎn)換效率的重點就在p-n接面（p-n junction）上，p-n接面是LED主要的發(fā)光發(fā)熱位置，透過p-n接面的結(jié)構(gòu)設(shè)計改變可提升轉(zhuǎn)化效率。

 

關(guān)于此，目前多是在p-n接面上開鑿量子井（Quantum Well；QW），以此來提升用電轉(zhuǎn)換成光能的比例，更進一步的也將朝更多的開鑿數(shù)來努力，即是多量子井（Multiple Quantum Well；MQW）技術(shù)。

 

裸晶層：「換料改構(gòu)、光透光折」拉高「出光效率」

 

亮度提升的LED已經(jīng)跨足到公眾場合的號志應(yīng)用，此為國內(nèi)工地外圍的交通方向指示燈，即是用HB LED所組構(gòu)成。

 

附注３：AlGaInP（磷化鋁鎵銦）也稱為「四元發(fā)光材料」，即是以Al、Ga、In、P四種元素化合而成。

 

附注４：在一般的圖形結(jié)構(gòu)解說時，p-n接面也稱為「發(fā)光層，emitting layer或active layer、active region」。

 

附注５：除了減少光遮、增加反射外，有時換用不同技術(shù)的用意是在于規(guī)避其它業(yè)者已申請的專利。

 

各種AlGaInP LED的發(fā)光效能強化法，由左至右為技術(shù)先進度的差別，最左為最基礎(chǔ)標準的LED幾何結(jié)構(gòu)，接著開始加入DBR（Distributed Bragg Reflector）反射層，再來是有DBR后再加入電流局限（Current Blocking）技術(shù)，而最右為晶元光電的OMA（Omni-directional Mirror Adherence）全方位鏡面接合技術(shù)，該技術(shù)也將基板材質(zhì)從GaAs換成Si。
 

艾比森LED顯示屏，戶內(nèi)外兩用，弧型拼接，快速安裝！租賃、演義、展會首選的租賃屏！LED顯示屏可任意弧度彎曲，滿足弧形、異形等舞臺創(chuàng)意需求。艾比森LED顯示屏，連續(xù)10年出口第一，世界首選艾比森。

 

知識來源于互聯(lián)網(wǎng)，如有版權(quán)問題，請聯(lián)系修改。