LED封裝對光通量的強(qiáng)化原理

March 28, 2019

前言：毫無疑問的，這個(gè)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(jì)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?zé)舻日彰?，不僅更光亮省電，使用也更長效，且點(diǎn)亮反應(yīng)更快，用于煞車燈時(shí)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(jìn)步到成為液晶顯示的背光，再擴(kuò)展到電子照明及公眾顯示，如車用燈、交通號(hào)志燈、看板訊息跑馬燈、大型影視墻，甚至是投影機(jī)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(gè)月提升一倍，過去認(rèn)為白光LED只能用來取代過于耗電的白熾燈、鹵素?zé)?，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(dá)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(qiáng)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(shí)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(jìn)出LED的電流值持續(xù)在增大，倘若不能良善散熱，則不僅會(huì)使LED的亮度減弱，還會(huì)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(qiáng)化提升，那么高亮度表現(xiàn)也會(huì)因此打折，因此本文將針對HB LED的封裝技術(shù)進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)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(jì)改變可提升轉(zhuǎn)化效率。
 

 

▲量子井（Quantum Well；QW）的結(jié)構(gòu)圖。

 

　　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(jìn)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」

 

　　如果光轉(zhuǎn)效率難再要求，進(jìn)一步的就必須從出光效率的層面下手，此層面的作法相當(dāng)多，依據(jù)不同的化合材料也有不同，目前HB LED較常使用的兩種化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN，前者用來產(chǎn)生高亮度的橘紅、橙、黃、綠光，后者GaN用來產(chǎn)生綠、翠綠、藍(lán)光，以及用InGaN產(chǎn)生近紫外線、藍(lán)綠、藍(lán)光。

 

　　至于作法有哪里些？這包括改變實(shí)體幾何結(jié)構(gòu)（橫向轉(zhuǎn)成垂直）、換用基板（substrate，也稱：襯底）的材料、加入新的材料層、改變材料層的接合方式、不同的材料表面處理等。不過，無論如何變化，大體都不脫兩個(gè)要?jiǎng)t：一、降低遮蔽、增加光透率。二、強(qiáng)化光折射、反射的利用率。

 

　　舉例來說，過去AlGaInP的LED，其基板所用的材料為GaAs，然黑色表面的GaAs使p-n接面散發(fā)出的光有一半被遮擋吸收，造成光能的浪費(fèi)，因此改用透明的GaP材料來做基板。又如日本日亞化學(xué)工業(yè)（Nichia）在GaN的LED中，將p型電極（p type）部分做成網(wǎng)紋狀（Mesh Pattern），以此來增加p極的透明度，減少光阻礙同時(shí)提升光透量。

 

　　至于增加折反射上，在AlGaInP的結(jié)構(gòu)中增加一層DBR（Distributed Bragg Reflector）反射層，將另一邊的光源折向同一邊。GaN方面則將基板材料換成藍(lán)寶石（Sapphire，Al2O3，三氧化二鋁）來增加反射，同時(shí)將基板表面設(shè)計(jì)成凹凸紋狀，藉此增加光反射后的散射角度，進(jìn)而使取光率提升?；蛉绲聡鴼W司朗（OSRAM）使用SiC材料的基板，并將基板設(shè)計(jì)成斜面，也有助于增加反射，或加入銀質(zhì)、鋁質(zhì)的金屬鏡射層。
 

 

 

▲亮度提升的LED已經(jīng)跨足到公眾場合的號(hào)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(shí)，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(shí)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(qiáng)化法，由左至右為技術(shù)先進(jìn)度的差別，最左為最基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)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。
 

 

▲對GaN、InGaN化合材料的LED而言，也有其自有的一套制程結(jié)構(gòu)光通強(qiáng)化法，以德國OSRAM來說，1999年還在使用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，2002年就進(jìn)展到ATON結(jié)構(gòu)，2003年換成更佳的NOTA結(jié)構(gòu)，2005年則是ThinGaN結(jié)構(gòu)。

 

■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(wù)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(zhì)，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(huì)逐漸變黃（因「苯環(huán)」成份），進(jìn)而影響光亮顏色，尤其波長愈低時(shí)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(hù)，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(dá)1.51.53的折射率，波長范疇在350nm800nm間的光透率達(dá)95％，且波長低至300nm時(shí)仍有75％80％的光透，或者與折射率進(jìn)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(shí)光透率達(dá)99％，且硬化處理后折射率亦有1.51，另外耐熱上也都能達(dá)180℃200℃的水平，關(guān)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(hù)，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(jìn)行裸晶防護(hù)，而非傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂。
 

 

▲隨著使用時(shí)間的增長，LED的光通量也會(huì)逐漸降低，圖中是兩個(gè)LED的壽命光通量曲線比較，下方藍(lán)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(gè)加速環(huán)氧樹脂老化變黃的因素來自溫度，高溫會(huì)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(hù)LED裸晶，并在保護(hù)之余盡可能讓光熱忠實(shí)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(huì)有各種不同的接續(xù)作法，例如做成一個(gè)一個(gè)的獨(dú)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(gè)LED并成一個(gè)整體性元件，如七段顯示器、點(diǎn)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(shù)（Through-Hole Technology；THT）及表面黏著技術(shù)（Surface-Mount Technology；SMT）。

 

　　在此暫且不談?wù)撊杭缘钠叨物@示器、點(diǎn)陣型顯示器，而就逐一獨(dú)立、分離、離散性的封裝來說，也要因應(yīng)不同的應(yīng)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(shí)也有各自的應(yīng)用需求，就一般而言，Lamp用來做指示燈號(hào)、Oval用于戶外標(biāo)示或號(hào)志、Top View用來做直落式的背光、Flat與Side View配合導(dǎo)光板（Guide Plate：LGP）做側(cè)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(yīng)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(yàn)封裝設(shè)計(jì)，運(yùn)用不同的設(shè)計(jì)方式，可以獲得不同的發(fā)光角度、光強(qiáng)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(diǎn)是光通量降低、光強(qiáng)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(jìn)行反射、折射等收斂動(dòng)作，使角度與光強(qiáng)度能取得平衡。

 

 

▲日亞化學(xué)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(shè)計(jì)來強(qiáng)化光照角度及強(qiáng)度。

 

　　就技術(shù)難易來說，只用上透鏡的Axial lens、Flat lens確實(shí)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(shí)更加復(fù)雜。

 

　　還有，我們還沒討論材質(zhì)，透鏡部分除了可持續(xù)用原有的覆膠材質(zhì)外也可以改用其它材質(zhì)，因?yàn)橥哥R已較為講究光透而較不講究裸晶防護(hù)，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(guān)，不同波長光透度不同，再加上有不同的材質(zhì)可選擇，甚至要為透鏡上色，好增加光色的對比度，或視應(yīng)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(shè)計(jì)等，以上種種構(gòu)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(shù)。

 

■結(jié)束語

 

　　最后，HB LED被人強(qiáng)調(diào)為「綠色照明」，言下之意「環(huán)?！故瞧浜艽蟮脑V求點(diǎn)，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(zhì)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(jià)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(jī)設(shè)備指令）等其它相關(guān)法規(guī)也必須遵守。

 

　　當(dāng)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(jī)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(dǎo)出，因?yàn)?，若不能忠?shí)導(dǎo)出光能，光能在封裝層內(nèi)被吸收，就會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能，為封裝上的散熱問題又添一項(xiàng)顧慮因素，事實(shí)上LED的熱若不能順利排解與降低，成為熱負(fù)荷，反過來一樣要傷害LED本體，包括亮度也會(huì)受到影響，因此，達(dá)到最佳、最理想的光通，是封裝設(shè)計(jì)必然要重視的一課！

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

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