摘要 LED封裝技術目前主要往高發光效率、高可靠性、高散熱能力與薄型化四個方向發展,目前主要的亮點有硅基LED和高壓LED,硅基LED之所以引起業界越來越多的關注,是因為它比傳統的藍寶石...
LED封裝技術目前主要往高發光效率、高可靠性、高散熱能力與薄型化四個方向發展,目前主要的亮點有硅基LED和高壓LED,硅基LED之所以引起業界越來越多的關注,是因為它比傳統的藍寶石基底LED的散熱能力更強,因此功率可做得更大,Cree就重點在發展硅基LED,它目前存在的主要問題是良率還較低,導致成本還偏高。
高壓LED是另一大亮點,它因可大幅縮小DC-DC降壓電路的輸入輸出壓差,而進一步提升LED驅動電源的效率,這可有效降低LED燈具對散熱外殼的要求,從而降低LED燈具的總體成本。目前Cree、Osram和億光都在發展高壓LED工藝。億光電子((Everlight)研發二處處長林治民表示:“未來億光將擴大研發應用高壓LED的產品,整合更多的組件,以打造簡便應用之微小光引擎,為降低燈具成本,為固態照明的普及盡一份心力。”
LED封裝原理
LED封裝主要是提供LED芯片一個平臺,讓LED芯片有更好的光、電、熱的表現,好的封裝可讓LED有更好的發光效率與好的散熱環境,好的散熱環境進而提升LED的使用壽命。LED封裝技術主要建構在五個主要考慮因素上,分別為光學取出效率、熱阻、功率耗散、可靠性及性價比(Lm/$)。
以上每一個因素在封裝中都是相當重要的環節,舉例來說,光取出效率關系到性價比;熱阻關系到可靠性及產品壽命;功率耗散關系到客戶應用。整體而言,較佳的封裝技術就是必須要兼顧每一點,但最重要的是要站在客戶立場思考,能滿足并超出客戶需求,就是好的封裝。
針對LED的封裝材料組成,林治民詳細解說道,LED封裝主要是由基板、芯片、固晶膠、熒光粉、封裝膠等組成,我們先將芯片利用固晶膠黏貼于基板上,使用金線將芯片與基板作電性連接,然后將熒光粉與封裝膠混合,搭配不同熒光粉比例,以及適當的芯片波長可得到不同的顏色,最后將熒光粉與封裝膠的混合體灌入基板中,加熱烘烤使膠材固化后,即完成最基本的LED封裝。
LED封裝四大發展趨勢
他并指出,LED封裝技術主要是往高發光效率、高可靠性、高散熱能力與薄型化發展。從芯片來看,目前最普遍的是水平式芯片, 比較高端的廠商則研發垂直式芯片與覆晶型芯片,原先水平式LED使用藍寶石基板,散熱能力較差,且在高電流驅動下,光取出效率下降幅度也較大。因此,為了降低LED成本,高電流密度的芯片設計便以獲取更多的光輸出為主要研究方向,在這樣的考慮下,使用垂直式封裝的芯片便成為下一課題,此類芯片使用硅等高散熱基板,在高電流操作下有更好的散熱效率,所以也有更高的光輸出,但由于制作流程復雜,工藝良率過低,以致于無法達到理想的高性價比,由此可知,在高瓦數封裝上,工藝良率所導致的價格因素也是一大考慮。
臺積電子公司采鈺科技便是專攻晶圓級高功率LED硅基封裝技術的業者。該公司在2010年已打入中國路燈市場,2011年更將重心放在室內照明球泡燈產品上。采鈺科技LED技術研發處長李豫華表示,以8吋磊晶計算,目前采鈺封裝產能為單月2千片、相當于400萬顆,去年產品成功打入中國路燈產品,量大的時候甚至單月出貨量高達70-80萬顆。
與一般臺灣LED封裝廠商采用的氧化鋁(藍寶石)基板技術不同,采鈺采用的是晶圓級LED硅基封裝技術,采鈺李豫華表示,硅基封裝LED在散熱方面優于藍寶石基板,但目前售價也高于藍寶石基板的產品,不過,李豫華認為在今年內,采鈺硅基封裝與藍寶石基板產品的價格將趨于一致,采鈺更訂下目標,希望每年成本下降幅度可達到30%。
硅基板的良率尚低
硅基板的最大訴求為導熱更佳,李豫華進一步指出,次世代照明的LED封裝需求最重要的就是散熱問題,估計熱的問題5年內難解,其次則是需要強而有力的結構體和穩定可靠的材料。另外光的表現也很重要,像均勻性、光源強度、出光效率是否更優異以及光的型式表現,最后就是量產和成本方面的管理。
LED封裝在這30年的演進,最大的特色就是尺寸愈來愈小,因此熱效應問題在輸入驅動電流較高時便凸顯出來。也就是說,現在高功率LED需求愈來愈大,當放進小顆LED并將電源灌入后,熱量便會產生,為了要降低熱,光的亮度就會減小,這時為了要增加亮度,又得導入更高的電流,高電流又會產生更多的熱,如此成為一個循環,熱量就不斷增加。接合溫度過高,結果便是每升高20℃,LED效能就要降低5%(或每增加1℃,效能降0.25%)。
LED產生的90%熱量都是向下走,因此封裝技術中,散熱十分重要。整體而言,可供選擇的高功率LED次安裝基臺(sub-mount)材料有陶瓷(氧化鋁、氮化鋁)和硅。其中,鋁基板有翹曲問題,且以導熱系數和熱擴散來看,硅是最佳選擇。
硅基LED封裝工藝流程為:絕緣及金屬層、芯片/金屬線鍵結及熒光材料涂布、透鏡組裝,再進行切割與測試。使用硅晶圓方法可以藉以控制穿孔型式(單一或多重),因而增加光萃取率,這是陶瓷基板所做不到的。李豫華并特別指出采鈺獨家的IC制造兼容晶圓級熒光粉涂布技術,可以在LED芯片最上層造就薄而高效能的熒光粉出光層,可改善黃暈現象,且此技術可控制色溫的一致性。
另外,半球形鏡頭為以光學設計方式增加出光率的方法之一,也是采鈺獨家設計的晶圓級產品,鏡頭設計符合各種出光形式的需求。此外,利用不同材料的折射率不同,由內而外愈來愈小,亦可控制出光路徑使其出光率增加,此結構模式可改善出光率逾7%。再者,藉由熒光粉補償過程可以達到緊密的色溫控制,因而良率可獲得提升,使原本低于70%的良率,經由補償可以提升超過95%。目前采鈺的LED硅基封裝成品已經在多處導入,包括大陸秦皇島、大陸京沈高速公路匝道的LED路燈及新竹清華大學校園等。
不過,LED硅基封裝仍有許多技術上面臨的挑戰需要克服,例如材料方面,硅材有容易碎裂的缺點,且機構強度也是問題所在。熒光粉則需考慮其電子亮度和熱及濕阻抗。另外,鏡頭的折射率及熱穩定度、粘著性等都是考慮點。結構方面,絕緣層、金屬層都有其挑戰。
采鈺專攻LED照明,目前并沒有跨入LED大尺寸背光源的計劃。在2012年臺灣、日本、美國、加拿大將開始禁用白熾燈泡的政策下,采鈺認為,2011年第3季LED暖白色球泡燈銷售量將爆發性成長,公司也將球泡燈產品列入今年的發展重點。
覆晶型LED芯片封裝
除了上述垂直式芯片外,覆晶型芯片也是業界極力發展的目標。覆晶型芯片的制作較立體型簡單許多,且可避掉復雜工藝,使得量產可行性大幅提升,加上后端芯片工藝金手指和過孔技術成熟輔助,以往必須種植多顆金球的固晶方式轉變為大面積P、N電極直接黏著支架,搭配上eutectic固晶方式,更大大的簡化了覆晶型芯片封裝的技術門坎,再者,縮短的封裝散熱路徑,相較于水平式芯片有較佳的散熱能力,驅動電壓也可下降,林治民強調,在未來節能減碳的驅動下,覆晶型芯片封裝會是很好的解決方案。
基于上述封裝的考慮,億光目前采用的主要封裝技術為熒光粉涂布以及轉注工藝。熒光涂布是億光發展的技術,主要是在芯片上覆蓋一層薄薄的熒光層,如此可大幅提升組件的發光效率,目前億光已將此產品運用在高功率件上。
轉注工藝技術則原本是使用在小型的表面貼裝型產品上面,林治民表示,億光在此產品上獲得了很大的成功,并進一步將此技術運用在高功率機種上,克服了硅成型與粘模等技術問題,目前由于TV等背光組件功率的提升與信賴性的要求,傳統的PPA反射蓋基板為有機材料,無法像硅或樹脂提供較佳的耐熱與耐光能力,為了有效提升信賴性,億光也計劃將此轉注工藝技術運用在背光組件的產品上。
關于封裝尺寸,目前億光電子實驗當中所能達成之最小高功率封裝體尺寸為3.0 ×3.0mm,甚至是2.0×2. 0mm以下的樣品制備,然而目前市售最普遍的規格仍為3.5×3.5mm產品,此一產品的應用面極為廣泛,因此,億光林治民表示,身為開啟固態照明時代的先鋒分子,億光電子將持續將小尺寸高功率技術應用于此產品上,以低成本的氮化鋁陶瓷基板搭配高反射率的反射鏡實施,制作此項產品所需的封裝支架,另外并會應用共金固晶的工藝技術,藉由金屬快速的將熱由LED中心地帶導向高導熱的氮化鋁陶瓷,以期降低LED組件的操作溫度,達成高效率(150lm/w)、高功率(3-5W操作)、長壽命(60000hrs)、低能耗的LED產品表現。
再者,芯片的選擇也非常重要,林治民表示,億光將與全球的優質合作伙伴共同致力于現有芯片的質量改良與降低成本,以及新芯片結構的快速開發,以期能以成本最低之大量生產的硅膠壓模工藝技術,降低現有LED芯片工藝的封裝成本,并以快速反應的光學結構設計符合新設計芯片結構的取光效果,務求達成量產成本最低、效率最高的設計目標。
20W以上LED封裝
在LED封裝方面,COB封裝技術是另一大重點,針對此,葳天科技總經理邢陳震侖認為,10W以下LED不適用COB封裝技術,這個領域主流上仍然采用單顆大功率封裝形式;20W以上的LED則較適合采用COB封裝技術。葳天科技專注于大功率LED封裝技術的研發,晶元光電為其原始股東。葳天目前在中國大陸市場的經營以礦工燈和建筑照明為主。邢陳震侖指出,礦工燈市場較為穩定,雖然近幾年成長率并不高,但是葳天在此領域保持較高的占有率。
2010年日本LED燈泡市場的快速擴張成為全球LED照明的典型范例。目前日本LED球泡燈市場主要轉為以COB多晶封裝為主,傳統大功率芯片及模塊則大多用于MR16等指向性LED燈源。
邢陳震侖指出,目前COB封裝用得比較多的是鋁基板、銅基板和陶瓷基板等。每種材料的導熱系數不同,導致其導熱性能的差異,如鉆石的導熱系數是1000,其次是銀和銅為400左右,然后鋁是100多,而陶瓷的導熱系數在8-22之間。在絕緣材料中,陶瓷的導熱系數已經算是不錯,加上價格便宜,故許多封裝選擇采用陶瓷基板。
大毅科技便是積極投入LED陶瓷散熱基板研發設計的業者之一,該公司運用純熟的厚膜與薄膜黃光工藝與專利的電鑄技術,從事LED散熱陶瓷基板的研發與生產,目前產品線必包含高功率LED封裝用陶瓷散熱基板。
高壓LED封裝
除高功率LED外,高壓LED的封裝也是一大重點。億光林治民表示,該公司已開發一系列高壓LED的封裝產品,橫跨了1W、2W及4W的產品市場,而高壓產品的問世,就是以全新的思維解決固態照明因降壓電路的存在而造成多余能量耗損的問題,并進而協助終端消費者降低購買成本。
林治民強調指出,高壓LED產品的封裝技術重點在于延續上述優點,此外更應提供消費者更多的便利性,使得不同區域在不同的電壓操作條件下,都能得到快速且方便的應用。例如億光電子推出的4W產品,可直接利用電路板的線路串并聯設計來符合全球110V及220V不同的電壓源需求。且由于單一組件封裝體的電壓跨壓,可達110V甚者220V,因此在開發高壓LED封裝時,億光電子堅持使用絕緣的陶瓷基板封裝體形式,以降低小尺寸之間正負電極火花放電的危險性。
同時,由于高壓LED芯片本身具藍寶石基板,側向光較一般的芯片為強,因此在封裝時應采用全角度均勻披覆的熒光粉設計,以求封裝體在全視角色溫一致,進而提升光的質量。