高亮度LED之"封裝光通"原理技術探析?

毫無疑問，這個世界需要高亮度發光二極體（HB LED），不僅是高亮度的白光LED（HB WLED），也包括高亮度的各色LED，且從現在起的未來更是積極努力與需要超高亮度的LED（UHD LED）。

用LED背光取代手持裝置原有的EL背光、CCFL背光，不僅電路設計更簡潔容易，且有較高的抗外力性。用LED背光取代液晶電視原有的CCFL背光，不僅更環保而且顯示更逼真亮麗。用LED照明取代白光燈、鹵素燈等照明，不僅更光亮省電，使用也更長效，且點亮反應更快，用於煞車燈時能減少後車追撞率。所以，LED從過去只能用在電子裝置的狀態指示燈，進步到成為液晶顯示的背光，再擴展到電子照明及公眾顯示，如車用燈、交通信號燈、資訊看板、大型影視墻，甚至是投影機內的照明等，其應用仍在持續延伸。更重要的是，LED的亮度效率就如同摩爾定律（Moore＇＇s Law）一樣，每24個月提升一倍，過去認為白光LED只能用來取代過於耗電的白熾燈、鹵素燈，即發光效率在10～30lm/W內的層次，然而在白光LED突破60lm/W甚至達100lm/W後，就連螢光燈、高壓氣體放電燈等也開始感受到威脅。

雖然LED持續增強亮度及發光效率，但除了核心的螢光質、混光等專利技術外，對封裝來說也將是愈來愈大的挑戰，且是雙重難題的挑戰，一方面封裝必須讓LED有最大的取光率、最高的光通量，使光折損降至最低，同時還要注重光的發散角度、光均性、與導光板的搭配性。另一方面，封裝必須讓LED有最佳的散熱性，特別是HB（高亮度）幾乎意味著HP（高功率、高用電），進出LED的電流值持續在增大，倘若不能良好散熱，則不僅會使LED的亮度減弱，還會縮短LED的使用壽命。所以，持續追求高亮度的LED，其使用的封裝技術若沒有對應的強化提升，那麼高亮度表現也會因此打折，因此本文將針對HB LED的封裝技術進行更多討論，包括光通方面的討論，也包括熱導方面的討論。

裸晶層："量子井、多量子井"提升"光轉效率"
雖然本文主要在談論LED封裝對光通量的強化，但在此也不得不先說明更深層核心的裸晶部分，畢竟裸晶結構的改善也能使光通量大幅提升。首先是強化光轉效率，這也是最根源之道，現有LED的每瓦用電中，僅有15％～2％被轉化成光能，其余都被轉化成熱能并消散掉（廢熱），而提升此一轉換效率的重點就在p-n接面（p-n junction）上，p-n接面是LED主要的發光發熱位置，透過p-n接面的結構設計改變可提升轉化效率。目前多是在p-n接面上開鑿量子井（Quantum Well；QW），以此來提升用電轉換成光能的比例，更進一步的也將朝更多的開鑿數來努力，即是多量子井（Multiple Quantum Well；MQW）技術。

"換料改構、光透光折"拉高"出光效率"。
如果光轉效率難再要求，進一步的就必須從出光效率的層面下手，此層面的作法相當多，依據不同的化合材料也有不同，目前HB LED較常使用的兩種化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN，前者用來產生高亮度的橘紅、橙、黃、綠光，後者GaN用來產生綠、翠綠、藍光，以及用InGaN產生近紫外線、藍綠、藍光。方法包括改變實體幾何結構（橫向轉成垂直）、換用基板（substrate，也稱：襯底）的材料、加入新的材料層、改變材料層的接合方式、不同的材料表面處理等。不過，無論如何變化，大體都不離兩個原則：一、降低遮蔽、增加光透率。二、強化光折射、反射的利用率。如過去AlGaInP的LED，其基板所用的材料為GaAs，然黑色表面的GaAs使p-n接面散發出的光有一半被遮擋吸收，造成光能的浪費，因此改用透明的GaP材料來做基板。又如日本日亞化學工業（Nichia），將p型電極（p type）部分做成網紋狀（Mesh Pattern），以此來增加p極的透明度，減少光阻礙同時提升光透量。至於增加折反射上，在AlGaInP的結構中增加一層DBR（Distributed Bragg Reflector）反射層，將另一邊的光源折向同一邊。GaN方面則將基板材料換成藍寶石（三氧化二鋁）來增加反射，同時將基板表面設計成凹凸紋狀，藉此增加光反射後的散射角度，進而使取光率提升。或如德國歐司朗（OSRAM）使用SiC材料的基板，并將基板設計成斜面，也有助於增加反射，或加入銀質、鋁質的金屬鏡射層。

封裝層：抗老化黃光、透光率保衛戰
從裸晶層面努力增加光亮後，接著就正式從封裝層面接手，務使光通維持最高、光衰減至最少。

要有高的流明保持率（Transmittance），第一步是封裝材質。過去LED最常用的是環氧樹脂（epoxy），但環氧樹脂老化後會逐漸變黃，進而影響光亮顏色，尤其波長愈低時老化愈快，特別是部分WLED使用近紫外線（Near ultraviolet）發光，與其他可見光相比其波長又更低，老化更快。新的提案是用矽樹脂（silicone），例如美國Lumileds公司的Luxeon系列LED即是改采矽封膠。不只是Lumileds Luxeon，其他業者也都有矽膠方案，如通用電氣.東芝公司的InvisiSi1，東麗．道康寧的SR 7010等也都是LED的矽膠封裝方案。

矽膠除了對低波長有較佳的抗受性、較不易老化外，矽膠阻隔近紫外線使其不外泄也是對人體健康的一種保護，此外矽膠的光透率、折射率、耐熱性都很理想。GE Toshiba的InvisiSi1具有高達1.5～1.53的折射率，波長范疇在350nm～800nm間的光透率達95％，且波長低至300nm時仍有75％～80％的光透，將折射率降至1.41，即便是300nm波長也能維持95％的光透性。Dow Coring Toray的SR 7010在405nm波長以上時光透率達99％，且硬化處理後折射率亦有1.51，另外耐熱上也都能達180℃～200℃的水準。此外，也有業者提出所謂的無樹脂封裝，即是用玻璃來作為外套保護，如日本京瓷（Kyocera）提出的陶瓷封裝，都是為了抗老化而提出，其中陶瓷也有較佳的耐熱效果。

封裝層：透鏡的透射　反射杯的反射、折射
在用膠封裝完後，依據LED的不同用途會有各種不同的接續作法，例如做成一個一個的獨立封裝元件，過去最典型的單顆LED指示燈即是如此。另一種則是將多個LED并成一個整體性元件，如七段顯示器、點陣型顯示器等。此外焊接腳位方面也有兩種區分，即穿孔技術（Through-Hole Technology）及表面黏著技術（Surface-Mount Technology）。

就逐一獨立、分離、離散性的封裝來說，也要因應不同的應用而有不同的封裝外觀。若是作為穿孔性焊接的狀態指示燈則只要采行燈泡（Lamp）型態的封裝（俗稱成"炮彈型"），即便是此也還有透鏡型態（Lens Type）的區別，如典型Lamp、卵橢圓Oval、超卵橢圓Super Oval、平直Flat等。而若是表面黏著型，也有頂視Top View、邊視Side View、圓頂Dome等。

為何要有各種不同的透鏡外型？就一般而言，Lamp用來做指示燈號、Oval用於戶外標示或號志、Top View用來做直落式的背光、Flat與Side View配合導光板（Guide Plate）作側邊入光式的背光、Dome作為小型照明燈泡、小型閃光燈等。外型不同、應用不同，發光的可視角度（View Angle）也就不同，此部分也就再次考驗封裝設計。運用不同的設計方式，可以獲得不同的發光角度、光強度、光通量，此方面常見的做法有四：中軸透鏡Axial lens、平直透鏡Flat lens、反射杯Reflective cup、島塊反射杯Reflective cup by island。一般的Lamp用的即是中軸透鏡法，Dome及Oval/Super Oval等也類似，但Oval/Super Oval的光亮比Lamp更集中在軸向的小角度內。而Flat則是用平直透鏡法，好處是光視角比中軸透鏡法更大，但缺點是光通量降低、光強度減弱。至於Top View、Side View等則多用反射杯或島塊反射杯，此作法是在封裝內加入反射鏡，對部分發散角度的光束進行反射、折射等收斂動作，使角度與光強度能取得平衡。

就技術難易來說，只用上透鏡的Axial lens、Flat lens較為簡易，只要考慮透射與光束發散性，相對的有Reflective cup就不同了，原有的透射、發散都要考慮，還要考慮反射、折射以及光束收斂，更加復雜。

材質方面，透鏡部分除了可持續用原有的覆膠材質外也可以改用其他材質，因為透鏡已較為講究光透而不講究裸晶防護，如此還可采行塑膠（Plastic）、壓克力（Acrylic）、玻璃（Glass）、聚碳酸酯（Polycarbonate）等，且如之前所述，光透性與波長有關，不同波長光透度不同，再加上有不同的材質可選擇，甚至要為透鏡上色，好增加光色的對比度，或視應用場合的裝飾效果（玩具、圣誕樹），還有前面的透鏡、反射杯等幾何設計等，以上種種構成了LED光通上的第四道課題。

結語
HB LED被人強調為"綠色照明"，言下之意"環保"是其很大的訴求點，所以不僅要無鉛（Pb Free）封裝，還要合乎今日歐洲RoHS（限用危害物質指令）的法令規范，無論封裝與LED整體都不能含有汞、鎘、六價鉻（hexavalent chromium）、多溴聯苯（PolyBrominated Biphenyls；PBB）、多溴聯苯醚（PolyBrominated Diphenyl Ether；PBDE）等環境有害物，此外WEEE（廢棄電子電機設備指令）等其他相關法規也必須遵守。

?前面我們也已經簡略提到封裝物必須能封阻與抗受低波長、紫外光，還要有一定的硬度來抗受機械外力，以及耐熱性，此外絕緣、抗靜電、抗濕也都必須注意。更重要的是，無論是否高亮度，都必須盡可能將光亮導出，因為，若不能忠實導出光能，光能在封裝層內被吸收，就會轉化成熱能，為封裝上的散熱問題又添一項課題，LED的熱若不能順利排解與降低，成為熱負荷，反過來一樣要傷害LED本體，包括亮度也會受到影響，因此，達到最佳、最理想的光通，是封裝設計必然要重視課題！（文/郭長佑）