改變封裝技術(shù)能讓LED照明的可靠性大幅增長

隨著藍光和白光發(fā)光二極管(LED)在1990年大舉邁向?qū)嵱没A段后，無論是利用LED所進行的全彩顯示，或是在近年來社會大眾對節(jié)能議題所展現(xiàn)的高度重視下，LED所普及到的智能手機、個人電腦(PC)、電視背光、照明、白色家電產(chǎn)品或交通號誌等多樣化的產(chǎn)品應用領域愈來愈廣。為滿足市場需求，業(yè)界針對各種產(chǎn)品系列，包括能夠?qū)崿F(xiàn)高演色性與高可靠性的照明用LED、以PICOLED為代表產(chǎn)品的小型薄型LED，以及車用客製化色彩LED等傾注了相當?shù)难邪l(fā)資源。 　　照明用白光LED產(chǎn)值急速成長 　　受到世界節(jié)能趨勢以及日本東北大地震所引發(fā)的節(jié)能意識高漲，日本市場對于照明用白光LED的需求量大增，促使LED照明市場產(chǎn)值正不斷急遽成長，然而，若要讓照明光源完全從傳統(tǒng)的白熾燈泡照明方式轉(zhuǎn)換為LED照明，在產(chǎn)品特性上仍有些亟待解決的問題存在，其中，業(yè)界研發(fā)重點尤以LED燈的高演色性與高可靠性為主，以下將分別就業(yè)者針對高Ra值與發(fā)光效率的技術(shù)做分享。 　　兼顧高Ra值與發(fā)光效率 　　平均演色性評價指數(shù)(Ra)就是光源使物體表現(xiàn)或重現(xiàn)真實顏色的一種指數(shù)，指數(shù)愈高，代表顏色重現(xiàn)性愈佳(太陽光的Ra為100)，市場上期盼照明用白光LED能夠兼具高發(fā)光效率與高演色性(Ra≧80)，但發(fā)光效率與Ra值兩者之間卻存在著效益權(quán)衡(Trade-off)特性(圖1)。由于市場上對于發(fā)光效率有更高的要求，因此目前市場上多為Ra≒70的高發(fā)光效率LED。 圖1 發(fā)光效率與Ra值間具效益權(quán)衡 　　一般白光LED燈的封裝結(jié)構(gòu)是將藍光LED晶片安裝在基板上，再以含有螢光體的樹脂進行封裝。在LED元件的發(fā)光色(藍色)與螢光體的發(fā)光色(黃色、紅色或綠色等)混合后，便會形成白光。 　　從發(fā)光效率的觀點上來看，一般大多以藍光+黃光來形成白光，但這樣會造成紅光的重現(xiàn)性不佳，因此不適合照明用途。一般所採用的解決方法就是增加紅光的成分，藉此改善紅光的重現(xiàn)性，但如此會有導致發(fā)光效率不理想的問題。為兼顧高發(fā)光效率與高Ra值，業(yè)者將螢光體有效率地配置于封裝內(nèi)部，以兩全其美的技術(shù)做為解決對策，成功地研發(fā)出Ra≧80且發(fā)光效率極高的產(chǎn)品(圖2)。 圖2 業(yè)界已研發(fā)出兼顧高發(fā)光效率與高Ra值的產(chǎn)品 　　高可靠度 　　近年來，市場上對于可靠性的相關需求也變得日益高漲。尤其是由于LED封裝反射率較高，一般大多採用鍍銀的方式，不過銀會因為硫化(因與硫磺產(chǎn)生反應而變黑的一種現(xiàn)象)而造成LED光束劣化，該現(xiàn)象對于戶外LED燈造成嚴重問題，因此各家廠商莫不提出各種鍍銀方案的因應對策，但目前此問題仍無法完全獲得改善。 　　有鑑于此，業(yè)界捨棄鍍銀方式，改採鍍鎳/鍍金的方式。將LED封裝鍍銀改為鍍鎳/鍍金后，雖然會導致成本增加，并因反射率的降低而造成發(fā)光效率不佳，但經(jīng)由封裝結(jié)構(gòu)的改善后，目前這些問題都已成功地被克服。 　　新封裝結(jié)構(gòu)既能維持高發(fā)光效率，又能實現(xiàn)高可靠性的LED發(fā)光表現(xiàn)，該系列產(chǎn)品即使在硫化試驗中也展現(xiàn)出絕佳的表現(xiàn)，可完全避免光束劣化的現(xiàn)象。 　　元件技術(shù) 　　為讓封裝更小、更薄，內(nèi)部的LED元件也必須同時採用小型薄型規(guī)格。因此，業(yè)者從晶圓上的發(fā)光層成膜到晶片化均採用自行研發(fā)的製程技術(shù)，終于成功地將磷化鋁鎵銦(AlGaInP)發(fā)光LED的元件尺寸縮小至邊角0.13毫米(mm)、厚度t=50微米(μm)，一舉實現(xiàn)小型化目標。 　　鑄模技術(shù) 　　為確保產(chǎn)品的強度，業(yè)者提出針對半導體元件進行樹脂封止的加工方法。樹脂封止加工係採用移轉(zhuǎn)成形(TransferMold)法，但鑄模模具的模穴會愈來愈薄(模穴厚度0.10毫米)，因此必須確保樹脂的流動性。此外，為確保LED的光學特性，無法對其添加用來確保零件強度的填充材料，如此一來，便會造成產(chǎn)品在機械性強度上的降低，但上述問題目前皆已解決。 　　組裝技術(shù) 　　在LED晶片的製作上，必須在厚度t=0.10毫米的封止樹脂中對LED元件進行焊線，因此業(yè)者採用自行研發(fā)的焊線機，成功縮小間距并降低迴路。 　　目前，世界最小的超小型LED體積僅1006尺寸，厚度僅0.2毫米，此產(chǎn)品不受設置空間的限制，并採用高亮度LED元件，透過LED發(fā)光，能夠讓光線從行動電話的外殼內(nèi)部進行穿透照明。 　　不但如此，超小型LED還可適用于點矩陣顯示器。傳統(tǒng)的1608尺寸產(chǎn)品最小間距為2毫米，而超小型LED卻能以最小間距1.5毫米進行高密度安裝，因此能展現(xiàn)出更細緻的表現(xiàn)效果。 　　在其他特色方面，由于該方案的封裝尺寸極小，因此可以用在七段顯示器、點矩陣顯示器模組上，并省略在晶片直接封裝(COB)技術(shù)上所必須的晶粒黏著(Die-bonding)、焊線、樹脂接合(Bonding)等製程。 　　車用LED照明受矚目 　　隨著LED燈泡及照明用途急速普及化，車用LED照明較以往更受到市場的青睞。在車輛內(nèi)裝用途上，無論是汽車音響、汽車導航系統(tǒng)或是空調(diào)面板等主要背光，目前幾乎已全面採用LED光源。接下來，像是目前仍採用傳統(tǒng)燈泡的室內(nèi)燈及警示燈，以及採用冷陰極管的儀表板背光等也將漸漸地面臨汰換的命運。 　　在車輛外裝上，近年來像是尾燈、轉(zhuǎn)向燈、定位燈等傳統(tǒng)燈泡也已逐步被汰換，甚至連頭燈也都由傳統(tǒng)的鹵素燈、高亮度放電(HID)燈轉(zhuǎn)而被LED燈所取代。若從環(huán)境辨識性的觀點上來看，採用LED燈作為晝行燈(Daytime Running Lamps，DRL)的趨勢更是值得關注。 　　為因應多樣化的車用需求，業(yè)界在車用LED技術(shù)研發(fā)上，將以下列兩項為研發(fā)重點。 　　色度及亮度之客制化需求 　　在汽車內(nèi)裝方面，像是空調(diào)面板等儀表板周邊的光源大多由車廠來指定顏色。業(yè)者所推出的磷化鋁鎵銦元件型LED系列產(chǎn)品，挾元件自製優(yōu)勢，無論是色彩、光度皆可依客戶要求自行客製化。 　　其他像是利用氮化銦鎵(InGaN)及含有螢光體的樹脂所成功創(chuàng)造出的白光及粉色LED系列，也能提供色彩客製化功能。像是主要按鍵的背光等使用頻率較高的按鍵，即可藉由微妙的顏色差異突顯其與相鄰按鍵之相異性，藉此喚起使用者的注意。這種磷化鋁鎵銦元件採用在磊晶成長(Epitaxial Growth)階段上抑制波長差異的技術(shù)，因此能夠滿足客戶嚴格的規(guī)格要求。