LED照明應用的快速興起,，預期將擴大高功率LED的產品需求，為確保高功率LED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,，以真正達成高性價比與延長使用壽命的目的。

 
　　產業(yè)界時常發(fā)表的高功率發(fā)光二極管(LED)光源,，多為數十瓦甚至上百瓦的LED封裝技術,，以光系統(tǒng)應用端的角度觀之，實無太大意義,，反而是如何能將數十至上百瓦的熱消除才是關鍵,。而要達成此一目標，須能有效降低單一LED封裝之熱阻值(Rjc),。  

　　LED封裝所驅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LED晶粒分布距離，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)光學難以處理,，也限制該產品的應用。不可一味將更多的LED晶粒封裝于單一體內,，以求達到高功率封裝目的,，因為仍有諸多因素待考慮，尤其是對于應用面,。 
 
　　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成型導線架(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用時所需要的驅動電路設計,。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封裝結構示意
 

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封裝結構,，主要的差異大致可從封裝載體之材料選用做區(qū)分，實現方式不外乎采用高導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,。但因為高導熱陶瓷基材價格居高不下，另有經濟的選擇,，為使用低導熱積層陶瓷配合熱導通孔(Thermal Via)的設計(圖1c),，熱導通孔內添入燒結金屬(如銀材)作為導熱路徑；此外,，亦另有先進的作法,，是使用半導體制程硅材為載體(圖1d)達到熱電分離，同時兼具高功率密度和低熱阻(＜0.5℃/W)特性,，可望將高功率LED封裝導入另一項革命,。隨著LED功率和功率密度升級，將加速LED在各應用領域逐次取代傳統(tǒng)光源,。

   　　一級光學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)定一致的光學質量,，賦予一級光學鏡片(Primary Lens)有其必要性，好的鏡片設計可提供更佳的光輸出質量,，如更均勻的光強度,、色坐標分布等，對于LED的有效出光有絕對的影響,。 
 
　　一級光學鏡片的設計,，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)的二階光學處理調整達所需要的光形,，大出光角的另一好處，是有利于將光萃取出來，呈現更好的發(fā)光效率值,。  

　　一級光學材料的選用是很大的關鍵點,，在過去，受限于可光學成型材料的瓶頸,，多數以光學聚碳酸脂(PC)或光學壓克力(PMMA)材質為主(低階產品甚或有使用氧樹脂的例子),，現階段因硅膠材性質已多有突破，陸續(xù)被使用在一級光學鏡片,，然因膠材乃屬黏彈性非堅硬結構,，在光學精準性上會受到交鏈反應收縮程度差異影響，同時因硅膠容易吸收水氣,，在高潮濕環(huán)境下,，硅膠鏡片可能因吸濕膨脹而使原先設計的配光發(fā)生變化，硅膠材應用在高功率LED封裝,，適處于推廣階段,。至于在光學鏡片材料選用上，還有另一種可行方式,，對于實現更精致光學質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)境下嚴格考驗,。  

　　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)。熱效應始終為各種材料特性退化的一大加速因子,，如何掌控結點溫度,，成為決定LED封裝功率值的主要因素，現階段固態(tài)照明產生白光的主流機制,，仍以可見藍光(450～470奈米)透過熒光材(Phosphor)激發(fā)黃色光譜混合,，而產生人類視覺上的白光。  

　　市面上可見之藍光晶粒技術已達一定水平,，晶粒本身對熱沖擊的忍受程度相當大(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則相對敏感,，熒光材之光轉換效率隨溫度上升而降低(圖3),，同時影響熒光材料壽命,，特別當熒光材料溫度超過70℃以上時會急速衰退,，此意味著LED結點溫度(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計算,，LED衰退至原來亮度70%之時間),，作為壽命判斷依據，而此要求一般皆在20,000小時以上,。因此,，當討論LED最高功率以及效能時,，須考慮其于正常操作狀態(tài)下，達熱穩(wěn)定時之結果去推算始具意義,。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　熒光材光轉換效率隨溫度之變化

　　成本、電性,、可靠度為封裝體晶粒配置三大評估標準
 
　　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，驅動電流從350～1,000毫安皆有,，然而提高LED功率最直接的作法,，是提高LED封裝內的總晶粒面積，作法不外乎增加晶粒大小,，或是提高晶粒數目(采用多晶封裝方式),，各有其優(yōu)缺點，可從晶粒成本,、電性考慮,、以及可靠度壽命等角度予以評估：

　　? 成本考慮

　　以大尺寸80密爾晶粒為例，其面積相當于四個40密爾晶粒,，然對于晶粒價格而言,，80密爾的晶粒成本，因良率因素,，必定高于四個40密爾的成本,。

　　? 電性連接方式

  從電性的角度來看，80密爾晶粒相當于將四個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,，可反應在性能表現,，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阻值不一,，四顆晶粒并聯(lián)驅動，必有電流分布不均問題,，電流分配較大的晶粒,，光轉換效率大同時也加速晶粒老化，電流分配不足的晶粒，則無法釋放出足夠的光能,，結果使整體的發(fā)光效率不如預期,。 

 
圖4　于相同的晶粒面積條件下，不同晶粒大小相對應之電性連接示意

　　? 可靠度壽命

　　大晶粒因有電流分布不均現象,，電流密度大的區(qū)域加速老化,，LED老化的結果是阻值降低，導致該區(qū)域電流密度(Current Density)愈來愈大,，也形成所謂的熱點(Hot Spot),，惡性循環(huán)的結果會加速LED衰退。因此,，LED在相同電流密度操作下,，大晶粒的可靠度壽命較小晶粒短。

　　總的來說,，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優(yōu)勢，在光學處理上,，大尺寸晶粒相較于多個小尺寸晶粒,，更趨近于點光源，較容易處理,。大,、小晶粒尺寸間的取舍端視應用領域而定，在實際操作上,，仍須考慮封裝的制程可行性以及LED驅動電路組件的搭配性,。

　　整合共通平臺有助于降低開發(fā)成本  

　　回顧2001年，Lumiled Luxeon首推出1瓦高功率LED盛極一時,，以當時的封裝,，可謂經典設計，眾多周邊廠商紛紛推出搭配Luxeon的周邊零件,，包括二次光學,、散熱基板、熱模塊,、驅動電路等,，采取Luxeon封裝可毋須顧慮光學模塊，并有各式驅動電路可供用,，大大縮短產品開發(fā)時程,。反觀現階段高功率LED封裝，各廠自有其獨特規(guī)格,，彼此間完全沒有可共通的零配件可交互使用,，即使是當年紅極一時的Lumiled(現已并入飛利浦)，亦打破過去一貫的設計傳統(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，可以預期的結果是各廠自行開發(fā)其高功率LED封裝規(guī)格,，使得下游系統(tǒng)應用廠使用更加困難,，除非鎖定某單一LED供應源，否則若欲同時有二至三種供貨來源,，則須投入倍數的開發(fā)成本于同一產品上,。通用平臺的無法實現，可以預期最后的局勢為弱肉強食,，而非共享甜美果實的結局,。  

　　演色性、色彩均勻,、價格挑戰(zhàn)越來越大

　　白光LED近年來突飛猛進,，高功率LED取代傳統(tǒng)光源展現在節(jié)能的效益已獲證實，2008年初可以量產的白光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),。可以預見在未來的一年,，大于每瓦100流明的可商業(yè)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)界在光學質量同樣獲得提升,，包括：

　　? 對演色性的追求

　　使用于室內照明的光源,，人們強調光源的演色性，目的在使被照物體呈現更自然色彩,，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

　　許多LED投射出的光色彩均勻度不理想，經?？梢娬邽橥鈬S圈問題(光靠近外圈之色溫低于中心區(qū)域),，即便是國際知名LED封裝大廠亦難解此課題，此須同時從封裝結構,，光學設計以及熒光體涂布制程技術等并行處理,。

　　? 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何時能廣泛被應用,，只剩價格問題,，預估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。

　　LED性能對產品壽命影響巨大
 
　　在LED特性的表現上,，封裝業(yè)的角度僅呈現組件之初始特性(Initial Characteristic, i.e., Tj=25℃),，然在實際應用上，用戶想知道的是產品在持續(xù)操作之穩(wěn)定狀態(tài)(Steady State)下的數據,，如何讓終端的系統(tǒng)整合業(yè)者,，以高功率LED封裝設計產品時能有效掌控LED特性，須忠實提供客戶關于LED封裝體熱阻,、LED光通量隨結點溫度(Tj)變化之關系以及結點溫度對于LED壽命的影響,。  

　　對于系統(tǒng)用戶而言，LED封裝體等于一個電子組件,，如同一般其他電子組件的表達方式,，唯有提供足夠的組件特性(尤其在對熱的性能表現上)，在組件使用上,，才有辦法合理的預估產品壽命,，維護消費者信心。