應(yīng)用的快速興起,預(yù)期將擴(kuò)大高功率LED的產(chǎn)品需求,為確保能符合市場要求,封裝業(yè)者試圖借由改善封裝材料、晶粒配置等方面,以真正達(dá)成高性價比與延長使用壽命的目的。
產(chǎn)業(yè)界時常發(fā)表的高功率(LED)光源,多為數(shù)十瓦甚至上百瓦的技術(shù),以光系統(tǒng)應(yīng)用真?zhèn)€角度觀之,實(shí)無太大意義,反而是如何能將數(shù)十至上百瓦的熱消除才是關(guān)鍵。而要達(dá)成此一目標(biāo),須能有效降低單一LED封裝之熱阻值(Rjc)。 LED封裝所驅(qū)動的功率大小受限于封裝體熱阻與所搭配之散熱模塊(Rca),兩者決定LED的系統(tǒng)熱阻和穩(wěn)態(tài)所能忍受的最大功率值。為降低封裝熱阻,業(yè)者試圖加大封裝體內(nèi)LED晶粒分布間隔,然LED晶粒分布面積不宜太大,過大的發(fā)光面積會使后續(xù)光學(xué)難以處理,也限制該產(chǎn)品的應(yīng)用。不可一味將更多的LED晶粒封裝于單一體內(nèi),以求達(dá)到高功率封裝目的,由于仍有諸多因素待考慮,尤其是對于應(yīng)用面。
多晶粒封裝材料不斷發(fā)展
隨著LED封裝功率提升,多晶粒封裝(Multi-chip Package)成為趨勢,傳統(tǒng)高功率LED封裝多采用塑料射出之預(yù)成型導(dǎo)線架(Pre-mold Lead Frame)方式(圖1a),封裝載體(Carrier)又稱為芯片承載(Die Pad),為一連續(xù)的金屬塊,已無法滿足多晶粒串接之電性需求,電性串并聯(lián)方式直接影響LED晶粒電測分檔(Bin)的精密程度、可靠度壽命以及封裝體在應(yīng)用時所需要的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)。于是眾多LED封裝型式陸續(xù)被提出,圖2舉出幾個代表性高功率LED封裝典型例子。
圖1 常見高功率LED封裝結(jié)構(gòu)示意
圖2 典型具代表性之高功率LED封裝
廣為業(yè)界使用的高功率LED封裝結(jié)構(gòu),主要的差異大致可從封裝載體之材料選用做區(qū)分,實(shí)現(xiàn)方式不過乎采用高導(dǎo)熱陶瓷基材或直接在金屬基材上做植晶封裝(圖1b),成為板上芯片(Chip On Board, COB)的封裝形式。但由于高導(dǎo)熱陶瓷基材價格居高不下,另有經(jīng)濟(jì)的選擇,為使用低導(dǎo)熱積層陶瓷配合熱導(dǎo)通孔(Thermal Via)的農(nóng)業(yè)技術(shù)http://www.c525.cn設(shè)計(jì)(圖1c),熱導(dǎo)通孔內(nèi)添進(jìn)燒結(jié)金屬(如銀材)作為導(dǎo)熱路徑;此外,亦另有先進(jìn)的作法,是使用半導(dǎo)體制程硅材為載體(圖1d)達(dá)到熱電分離,同時兼具高功率密度和低熱阻(<0.5℃/W)特性,可看將高功率LED封裝導(dǎo)進(jìn)另一項(xiàng)革命。隨著LED功率和功率密度升級,將加速LED在各應(yīng)用領(lǐng)域逐次取代傳統(tǒng)光源。
一級光學(xué)鏡片封裝材料選用舉足輕重
耐高溫且穩(wěn)定的封合膠體(Encapsulation)已被廣泛采用,不同硅膠基材間的取舍,除了加工性外,主要在于折射率的考慮,其將影響封裝體的光學(xué)特性,此包括光分配(Beam Distribution)與出光效率等。為維持穩(wěn)定一致的光學(xué)質(zhì)量,賦予一級光學(xué)鏡片(Primary Lens)有其必要性,好的鏡片設(shè)計(jì)可提供更佳的光輸出質(zhì)量,如更均勻的光強(qiáng)度、色坐標(biāo)分布等,對于LED的有效出光有盡對的影響。
一級光學(xué)鏡片的設(shè)計(jì),各家自有其道,一般在第一階出光多采用大出光角(≧120o)方式,再透過后續(xù)的二階光學(xué)處理調(diào)整達(dá)所需要的光形,大出光角的另一好處,是有利于將光萃取出來,呈現(xiàn)更好的發(fā)光效率值。 一級光學(xué)材料的選用是很大的關(guān)鍵點(diǎn),在過往,受限于可光學(xué)成型材料的瓶頸,多數(shù)以光學(xué)聚碳酸脂(PC)或光學(xué)壓克力(PMMA)材質(zhì)為主(低階產(chǎn)品甚或有使用氧樹脂的例子),現(xiàn)階段因硅膠材性質(zhì)已多有突破,陸續(xù)被使用在一級光學(xué)鏡片,然因膠材乃屬黏彈性非堅(jiān)硬結(jié)構(gòu),在光學(xué)精準(zhǔn)性上會受到交鏈反應(yīng)收縮程度差異影響,同時因硅膠輕易吸收水氣,在高濕潤環(huán)境下,硅膠鏡片可能因吸濕膨脹而使原先設(shè)計(jì)的配光發(fā)生變化,硅膠材應(yīng)用在高功率LED封裝,適處于推廣階段。至于在光學(xué)鏡片材料選用上,還有另一種可行方式,對于實(shí)現(xiàn)更精致光學(xué)質(zhì)量與高度可靠度需求者,可選用穩(wěn)定的玻璃鏡片,滿足長壽命和容許惡劣使用環(huán)境下嚴(yán)格考驗(yàn)。
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寧波瘦身 有效降低熱阻值為首要課題
LED封裝推向高功率,首要面對熱的挑戰(zhàn)。熱效應(yīng)始終為各種材料特性退化的一大加速因子,如何掌控結(jié)點(diǎn)溫度,成為決定LED封裝功率值的主要因素,現(xiàn)階段固態(tài)照明產(chǎn)生白光的主流機(jī)制,仍以可見藍(lán)光(450~470奈米)透過熒光材(Phosphor)激發(fā)黃色光譜混合,而產(chǎn)生人類視覺上的白光。 市面上可見之藍(lán)光晶粒技術(shù)已達(dá)一定水平,晶粒本身對熱沖擊的忍受程度相當(dāng)大(溫度每提升10℃、發(fā)光效率衰退小于1%),然而熱對于所有類型熒光材的效應(yīng)則相對敏感,熒光材之光轉(zhuǎn)換效率隨溫度上升而降低(圖3),同時影響熒光材料壽命,特別當(dāng)熒光材料溫度超過70℃以上時會急速衰退,此意味著LED結(jié)點(diǎn)溫度(Junction Temperature, Tj)須有效控制在70℃以下,始能有效確保LED可用壽命(一般壽命以L70計(jì)算,LED衰退至原來亮度70%之時間),作為壽命判定依據(jù),而此要求一般皆在20,000小時以上。因此,當(dāng)討論LED最高功率以及效能時,須考慮其于正常操縱狀態(tài)下,達(dá)熱穩(wěn)定時之結(jié)果往推算始具意義。LED封裝體自身之熱阻,決定該封裝所能承受的最大功率,如何有效降低Rjc值,是為高功率LED封裝須面對的一大挑戰(zhàn)。
圖3 熒光材光轉(zhuǎn)換效率隨溫度之變化
本錢、電性、可靠度為封裝體晶粒配置三大評估標(biāo)準(zhǔn)
LED晶粒的工作電流密度有其上限(以40×40密爾(mil)芯片面積為例,依芯片等級,驅(qū)動電流從350~1,000毫安皆有,然而進(jìn)步LED功率最直接的作法,是進(jìn)步LED封裝內(nèi)的總晶粒面積,作法不過乎增加晶粒大小,或是進(jìn)步晶粒數(shù)目(采用多晶封裝方式),各有其優(yōu)缺點(diǎn),可從晶粒本錢、電性考慮、以及可靠度壽命等角度予以評估: ? 本錢考慮 以大尺寸80密爾晶粒為例,其面積相當(dāng)于四個40密爾晶粒,然對于晶粒價格而言,80密爾的晶粒本錢,因良率因素,必定高于四個40密爾的本錢。 ? 電性連接方式 從電性的角度來看,80密爾晶粒相當(dāng)于將四個40密爾晶粒以并聯(lián)形式連接(圖4a),而若使用四個40密爾晶粒,則可以選擇透過打線(Wire Bonding)方法以串聯(lián)形式連接(圖4b),串聯(lián)與并聯(lián)方式的差異,可反應(yīng)在性能表現(xiàn),了解每顆LED晶粒的順相電壓(Forward Voltage, Vf)皆有差異,換句話說,也就是各晶粒單元的內(nèi)阻值不一,四顆晶粒并聯(lián)驅(qū)動,必有電流分布不均題目,電流分配較大的晶粒,光轉(zhuǎn)換效率大同時也加速晶粒老化,電流分配不足的晶粒,則無法開釋出足夠的光能,結(jié)果使整體的發(fā)光效率不如預(yù)期。
圖4 于相同的晶粒面積條件下,不同晶粒大小相對應(yīng)之電性連接示意
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? 可靠度壽命 大晶粒因有電流分布不均現(xiàn)象,電流密度大的區(qū)域加速老化,LED老化的結(jié)果是阻值降低,導(dǎo)致該區(qū)域電流密度(Current Density)愈來愈大,也形成所謂的熱門(Hot Spot),惡性循環(huán)的結(jié)果會加速LED衰退。因此,LED在相同電流密度操縱下,大晶粒的可靠度壽命較小晶粒短?! 】偟膩碚f,采用串聯(lián)形式是比較有利的作法,然大尺寸晶粒卻有其他方面的上風(fēng),在光學(xué)處理上,大尺寸晶粒相較于多個小尺寸晶粒,更趨近于,較輕易處理。大、小晶粒尺寸間的取舍端視應(yīng)用領(lǐng)域而定,在實(shí)際操縱上,仍須考慮封裝的制程可行性以及電路組件的搭配性。
整合共通平臺有助于降低開發(fā)本錢 回顧2001年,Lumiled Luxeon首推出1瓦高功率LED盛極一時,以當(dāng)時的封裝,可謂經(jīng)典設(shè)計(jì),眾多周邊廠商紛紛推出搭配Luxeon的周邊零件,包括二次光學(xué)、散熱、熱模寧波團(tuán)購http://tuan.c3618.cn/塊、驅(qū)動電路等,采取Luxeon封裝可毋須顧慮光學(xué)模塊,并有各式驅(qū)動電路可供用,大大縮短產(chǎn)品開發(fā)時程。反觀現(xiàn)階段高功率LED封裝,各廠自有其獨(dú)特規(guī)格,彼此間完全沒有可共通的零配件可交互使用,即使是當(dāng)年紅極一時的Lumiled(現(xiàn)已并進(jìn)飛利浦),亦打破過往一貫的設(shè)計(jì)傳統(tǒng),使得原先配合之周邊零組件廠無所適從。在沒有整合共通平臺的發(fā)展下,可以預(yù)期的結(jié)果是各廠自行開發(fā)其高功率LED封裝規(guī)格,使得下游系統(tǒng)應(yīng)用廠使用更加困難,除非鎖定某單一LED供給源,否則若欲同時有二至三種供貨來源,則須投進(jìn)倍數(shù)的開發(fā)本錢于同一產(chǎn)品上。通用平臺的無法實(shí)現(xiàn),可以預(yù)期最后的局勢為弱肉強(qiáng)食,而非共享甜蜜果實(shí)的結(jié)局。 演色性、色彩均勻、價格挑戰(zhàn)越來越大 近年來突飛猛進(jìn),高功率LED取代傳統(tǒng)光源展現(xiàn)在節(jié)能的效益已獲證實(shí),2008年初可以量產(chǎn)的白光LED封裝已突破每瓦70流明水平,超越傳統(tǒng)通用照明最為普及的省電燈泡(管)。可以預(yù)見在未來的一年,大于每瓦100流明的可貿(mào)易化白光LED即將面世。在一味追求高發(fā)光效率的同時,亦期待LED業(yè)界在光學(xué)質(zhì)量同樣獲得提升,包括: ? 對演色性的追求 使用于室內(nèi)照明的光源,人們夸大光源的演色性,目的在使被照物體呈現(xiàn)更自然色彩,如何提升演色性(CRI>80),這部分須仰賴晶粒廠與熒光材廠的齊力配合,使激發(fā)光譜更加寬廣、且更接近于大自然光源?! ? 提升光色彩均勻度 很多LED投射出的光色彩均勻度不理想,經(jīng)??梢娬邽橥鈬S圈題目(光靠近外圈之色溫低于中心區(qū)域),即便是國際著名LED封裝大廠亦難解此課題,此須同時從封裝結(jié)構(gòu),光學(xué)設(shè)計(jì)以及熒光體涂布制程技術(shù)等并行處理。 ? 價格普及化 高功率LED封裝的最大市場,在于廣大的通用照明,未來LED何時能廣泛被應(yīng)用,只剩價格題目,預(yù)估LED封裝成品價格低于100流明下1.5美元的性價比,同時LED效能仍須維持在每瓦70流明以上之水平,而交流對直流(AC-DC)驅(qū)動電路價格低于每瓦0.3美元,則將是高功率LED在固態(tài)照明正式被啟動的時間點(diǎn)。 LED性能對產(chǎn)品壽命影響巨大在LED特性的表現(xiàn)上,封裝業(yè)的角度僅呈現(xiàn)組件之初始特性(Initial Characteristic, i.e., Tj=25℃),然在實(shí)際應(yīng)用上,用戶想知道的是產(chǎn)品在持續(xù)操縱之穩(wěn)定狀態(tài)(Steady State)下的數(shù)據(jù),如何讓終真?zhèn)€系統(tǒng)整合業(yè)者,以高功率LED封裝設(shè)計(jì)產(chǎn)品時能有效掌控LED特性,須忠實(shí)提供客戶關(guān)于LED封裝體熱阻、LED光通量隨結(jié)點(diǎn)溫度(Tj)變化之關(guān)系以及結(jié)點(diǎn)溫度對于LED壽命的影響。 對于系統(tǒng)用戶而言,LED封裝體即是一個電子組件,如同一般其他電子組件的表達(dá)方式,唯有提供足夠的組件特性(尤其在對熱的性能表現(xiàn)上),在組件使用上,才有辦法公道的預(yù)估產(chǎn)品壽命,維護(hù)消費(fèi)者信心。
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