分析怎樣提高LED照明的可靠性

隨著藍光和白光發(fā)光二極管(LED)在1990年大舉邁向實用化階段后，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、白色家電產品或交通號志等多樣化的產品應用領域愈來愈廣。為滿足市場需求，業(yè)界針對各種產品系列，包括能夠實現高演色性與高可靠性的照明用LED、以PICOLED為代表產品的小型薄型LED,以及車用客制化色彩LED等傾注了相當的研發(fā)資源。 　　照明用白光LED產值急速成長 　　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換為LED照明，在產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)光效率的技術做分享。 　　兼顧高Ra值與發(fā)光效率 　　平均演色性評價指數(Ra)就是光源使物體表現或重現真實顏色的一種指數，指數愈高，代表顏色重現性愈佳(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衡(Trade-off)特性。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. 　　一般白光LED燈的封裝結構是將藍光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性不佳，因此不適合照明用途。一般所采用的解決方法就是增加紅光的成分，藉此改善紅光的重現性，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部，以兩全其美的技術做為解決對策，成功地研發(fā)出Ra≧80且發(fā)光效率極高的產品。該系列產品無論在Ra或R9(紅色)指數上的表現均十分良好，與Ra值相同的其他廠牌產品相較之下，該系列產品的R9值更高，紅色的重現性也更佳。隨著此項技術的突破，LED燈不但能降低色度的不均，還能因應更細致的色度等級。 　　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，一般大多采用鍍銀的方式，不過銀會因為硫化(因與硫磺產生反應而變黑的一種現象)而造成LED光束劣化，該現象對于戶外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。 　　有監(jiān)于此，業(yè)界舍棄鍍銀方式，改采鍍鎳/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，但經由封裝結構的改善后，目前這些問題都已成功地被克服。 　　新封裝結構既能維持高發(fā)光效率，又能實現高可靠性的LED發(fā)光表現，該系列產品即使在硫化試驗中也展現出絕佳的表現，可完全避免光束劣化的現象。 　　LED小型/薄型化 　　隨著行動裝置體積輕薄短小化，市場上對于小間距產品的需求逐年強烈，零件也面臨著更多降低高度及縮小尺寸之要求。此外，由于戶外全彩顯示裝置大多采用LED,為提高表現效果，全彩型LED封裝亦朝向更高密度發(fā)展。 　　元件技術 　　為讓封裝更小、更薄，內部的LED元件也必須同時采用小型薄型規(guī)格。因此，業(yè)者從晶圓上的發(fā)光層成膜到晶片化均采用自行研發(fā)的制程技術，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)，一舉實現小型化目標。 　　鑄模技術 　　為確保產品的強度，業(yè)者提出針對半導體元件進行樹脂封止的加工方法。樹脂封止加工系采用移轉成形(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 　　在LED晶片的制作上，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)者采用自行研發(fā)的焊線機，成功縮小間距并降低回路。 　　目前，世界最小的超小型LED體積僅1006尺寸，厚度僅0.2毫米，此產品不受設置空間的限制，并采用高亮度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，因此能展現出更細致的表現效果。 　　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)技術上所必須的晶粒黏著(Die-bonding)、焊線、樹脂接合(Bonding)等制程。 　　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。在車輛內裝用途上，無論是汽車音響、汽車導航系統(tǒng)或是空調面板等主要背光，目前幾乎已全面采用LED光源。接下來，像是目前仍采用傳統(tǒng)燈泡的室內燈及警示燈，以及采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)燈轉而被LED燈所取代。若從環(huán)境辨識性的觀點上來看，采用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 　　在汽車內裝方面，像是空調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系列產品，挾元件自制優(yōu)勢，無論是色彩、光度皆可依客戶要求自行客制化。 　　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，也能提供色彩客制化功能。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采用在磊晶成長(Epitaxial Growth)階段上抑制波長差異的技術，因此能夠滿足客戶嚴格的規(guī)格要求。 　　研發(fā)耐硫化對策/擴充新品 　　另一方面，市場對于尾燈等車輛外裝用途的LED燈最大要求莫過于耐熱性及對嚴苛氣候的耐受性，但由于傳統(tǒng)的LED封裝的導線架為鍍銀材料，容易產生硫化及光束劣化問題，目前這個問題也開始受到重視。 　　鑒于此，業(yè)界改鍍鎳/鍍鈀/鍍金做為導線架材料，成功解決因硫化所造成的光束劣化問題。另外，對于鍍鎳/鍍鈀/鍍金所引起的光度降低缺點，業(yè)者亦研發(fā)出新的一系列產品，藉由提高元件本身輸出效率的方式來解決，展現出毫不遜于鍍銀產品的光束強度。未來，業(yè)界將采鍍鎳/鍍鈀/鍍金做為封裝硫化改善對策，并積極擴充新的產品系列，以滿足客戶的多樣化需求。