改变封装技术能让LED照明的可靠性大幅增长

随着蓝光和白光发光二极管(LED)在1990年大举迈向实用化阶段后，无论是利用LED所进行的全彩显示，或是在近年来社会大众对节能议题所展现的高度重视下，LED所普及到的智能手机、个人电脑(PC)、电视背光、照明、白色家电产品或交通号誌等多样化的产品应用领域愈来愈广。为满足市场需求，业界针对各种产品系列，包括能够实现高演色性与高可靠性的照明用LED、以PICOLED为代表产品的小型薄型LED，以及车用客製化色彩LED等倾注了相当的研发资源。 　　照明用白光LED产值急速成长 　　受到世界节能趋势以及日本东北大地震所引发的节能意识高涨，日本市场对于照明用白光LED的需求量大增，促使LED照明市场产值正不断急遽成长，然而，若要让照明光源完全从传统的白炽灯泡照明方式转换为LED照明，在产品特性上仍有些亟待解决的问题存在，其中，业界研发重点尤以LED灯的高演色性与高可靠性为主，以下将分别就业者针对高Ra值与发光效率的技术做分享。 　　兼顾高Ra值与发光效率 　　平均演色性评价指数(Ra)就是光源使物体表现或重现真实颜色的一种指数，指数愈高，代表颜色重现性愈佳(太阳光的Ra为100)，市场上期盼照明用白光LED能够兼具高发光效率与高演色性(Ra≧80)，但发光效率与Ra值两者之间却存在着效益权衡(Trade-off)特性(图1)。由于市场上对于发光效率有更高的要求，因此目前市场上多为Ra≒70的高发光效率LED。 图1 发光效率与Ra值间具效益权衡 　　一般白光LED灯的封装结构是将蓝光LED晶片安装在基板上，再以含有萤光体的树脂进行封装。在LED元件的发光色(蓝色)与萤光体的发光色(黄色、红色或绿色等)混合后，便会形成白光。 　　从发光效率的观点上来看，一般大多以蓝光+黄光来形成白光，但这样会造成红光的重现性不佳，因此不适合照明用途。一般所採用的解决方法就是增加红光的成分，藉此改善红光的重现性，但如此会有导致发光效率不理想的问题。为兼顾高发光效率与高Ra值，业者将萤光体有效率地配置于封装内部，以两全其美的技术做为解决对策，成功地研发出Ra≧80且发光效率极高的产品(图2)。 图2 业界已研发出兼顾高发光效率与高Ra值的产品 　　高可靠度 　　近年来，市场上对于可靠性的相关需求也变得日益高涨。尤其是由于LED封装反射率较高，一般大多採用镀银的方式，不过银会因为硫化(因与硫磺产生反应而变黑的一种现象)而造成LED光束劣化，该现象对于户外LED灯造成严重问题，因此各家厂商莫不提出各种镀银方案的因应对策，但目前此问题仍无法完全获得改善。 　　有鑑于此，业界捨弃镀银方式，改採镀镍/镀金的方式。将LED封装镀银改为镀镍/镀金后，虽然会导致成本增加，并因反射率的降低而造成发光效率不佳，但经由封装结构的改善后，目前这些问题都已成功地被克服。 　　新封装结构既能维持高发光效率，又能实现高可靠性的LED发光表现，该系列产品即使在硫化试验中也展现出绝佳的表现，可完全避免光束劣化的现象。 　　元件技术 　　为让封装更小、更薄，内部的LED元件也必须同时採用小型薄型规格。因此，业者从晶圆上的发光层成膜到晶片化均採用自行研发的製程技术，终于成功地将磷化铝镓铟(AlGaInP)发光LED的元件尺寸缩小至边角0.13毫米(mm)、厚度t=50微米(μm)，一举实现小型化目标。 　　铸模技术 　　为确保产品的强度，业者提出针对半导体元件进行树脂封止的加工方法。树脂封止加工係採用移转成形(TransferMold)法，但铸模模具的模穴会愈来愈薄(模穴厚度0.10毫米)，因此必须确保树脂的流动性。此外，为确保LED的光学特性，无法对其添加用来确保零件强度的填充材料，如此一来，便会造成产品在机械性强度上的降低，但上述问题目前皆已解决。 　　组装技术 　　在LED晶片的製作上，必须在厚度t=0.10毫米的封止树脂中对LED元件进行焊线，因此业者採用自行研发的焊线机，成功缩小间距并降低迴路。 　　目前，世界最小的超小型LED体积仅1006尺寸，厚度仅0.2毫米，此产品不受设置空间的限制，并採用高亮度LED元件，透过LED发光，能够让光线从行动电话的外壳内部进行穿透照明。 　　不但如此，超小型LED还可适用于点矩阵显示器。传统的1608尺寸产品最小间距为2毫米，而超小型LED却能以最小间距1.5毫米进行高密度安装，因此能展现出更细緻的表现效果。 　　在其他特色方面，由于该方案的封装尺寸极小，因此可以用在七段显示器、点矩阵显示器模组上，并省略在晶片直接封装(COB)技术上所必须的晶粒黏着(Die-bonding)、焊线、树脂接合(Bonding)等製程。 　　车用LED照明受瞩目 　　随着LED灯泡及照明用途急速普及化，车用LED照明较以往更受到市场的青睐。在车辆内装用途上，无论是汽车音响、汽车导航系统或是空调面板等主要背光，目前几乎已全面採用LED光源。接下来，像是目前仍採用传统灯泡的室内灯及警示灯，以及採用冷阴极管的仪表板背光等也将渐渐地面临汰换的命运。 　　在车辆外装上，近年来像是尾灯、转向灯、定位灯等传统灯泡也已逐步被汰换，甚至连头灯也都由传统的卤素灯、高亮度放电(HID)灯转而被LED灯所取代。若从环境辨识性的观点上来看，採用LED灯作为昼行灯(Daytime Running Lamps，DRL)的趋势更是值得关注。 　　为因应多样化的车用需求，业界在车用LED技术研发上，将以下列两项为研发重点。 　　色度及亮度之客制化需求 　　在汽车内装方面，像是空调面板等仪表板周边的光源大多由车厂来指定颜色。业者所推出的磷化铝镓铟元件型LED系列产品，挟元件自製优势，无论是色彩、光度皆可依客户要求自行客製化。 　　其他像是利用氮化铟镓(InGaN)及含有萤光体的树脂所成功创造出的白光及粉色LED系列，也能提供色彩客製化功能。像是主要按键的背光等使用频率较高的按键，即可藉由微妙的颜色差异突显其与相邻按键之相异性，藉此唤起使用者的注意。这种磷化铝镓铟元件採用在磊晶成长(Epitaxial Growth)阶段上抑制波长差异的技术，因此能够满足客户严格的规格要求。