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LED封装对光通量的强化原理



前言:毫无疑问的,这个世界需要高亮度发光二极管(High Brightness Light-Emitting Diode;HB LED),不仅是高亮度的白光LED(HB WLED),也包括高亮度的各色LED,且从现在起的未来更是积极努力与需要超高亮度的LED(Ultra High Brightness LED,简称:UHD LED)。

 

  用LED背光取代手持装置原有的EL背光、CCFL背光,不仅电路设计更简洁容易,且有较高的外力抗受性。用LED背光取代液晶电视原有的CCFL背光,不仅更环保而且显示更逼真亮丽。用LED照明取代白光灯、卤素灯等照明,不仅更光亮省电,使用也更长效,且点亮反应更快,用于煞车灯时能减少后车追撞率。

 

  所以,LED从过去只能用在电子装置的状态指示灯,进步到成为液晶显示的背光,再扩展到电子照明及公众显示,如车用灯、交通号志灯、看板讯息跑马灯、大型影视墙,甚至是投影机内的照明等,其应用仍在持续延伸。

 

  更重要的是,LED的亮度效率就如同摩尔定律(Moore's Law)一样,每24个月提升一倍,过去认为白光LED只能用来取代过于耗电的白炽灯、卤素灯,即发光效率在1030lm/W内的层次,然而在白光LED突破60lm/W甚至达100lm/W后,就连萤光灯、高压气体放电灯等也开始感受到威胁。

 

  虽然LED持续增强亮度及发光效率,但除了最核心的萤光质、混光等专利技术外,对封装来说也将是愈来愈大的挑战,且是双重难题的挑战,一方面封装必须让LED有最大的取光率、最高的光通量,使光折损降至最低,同时还要注重光的发散角度、光均性、与导光板的搭配性。

 

  另一方面,封装必须让LED有最佳的散热性,特别是HB(高亮度)几乎意味著HP(High Power,高功率、高用电),进出LED的电流值持续在增大,倘若不能良善散热,则不仅会使LED的亮度减弱,还会缩短LED的使用寿命。

 

  所以,持续追求高亮度的LED,其使用的封装技术若没有对应的强化提升,那么高亮度表现也会因此打折,因此本文将针对HB LED的封装技术进行更多讨论,包括光通方面的讨论,也包括热导方面的讨论。

 

  附注1:一般而言,HB LED多指8lm/W(每瓦8流明)以上的发光效率。

 

  附注2:一般而言,HP LED多指用电1W(瓦)以上,功耗瓦数以顺向导通电压乘以顺向导通电流(Vf×If,f=forward)求得。

 

■裸晶层:「量子井、多量子井」提升「光转效率」

 

  虽然本文主要在谈论LED封装对光通量的强化,但在此也不得不先说明更深层核心的裸晶部分,毕竟裸晶结构的改善也能使光通量大幅提升。

 

  首先是强化光转效率,这也是最根源之道,现有LED的每瓦用电中,仅有15%20%被转化成光能,其余都被转化成热能并消散掉(废热),而提升此一转换效率的重点就在p-n接面(p-n junction)上,p-n接面是LED主要的发光发热位置,透过p-n接面的结构设计改变可提升转化效率。
 

 

▲量子井(Quantum Well;QW)的结构图。

 

  关于此,目前多是在p-n接面上开凿量子井(Quantum Well;QW),以此来提升用电转换成光能的比例,更进一步的也将朝更多的开凿数来努力,即是多量子井(Multiple Quantum Well;MQW)技术。

 

■裸晶层:「换料改构、光透光折」拉高「出光效率」

 

  如果光转效率难再要求,进一步的就必须从出光效率的层面下手,此层面的作法相当多,依据不同的化合材料也有不同,目前HB LED较常使用的两种化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN,前者用来产生高亮度的橘红、橙、黄、绿光,后者GaN用来产生绿、翠绿、蓝光,以及用InGaN产生近紫外线、蓝绿、蓝光。

 

  至于作法有哪里些?这包括改变实体几何结构(横向转成垂直)、换用基板(substrate,也称:衬底)的材料、加入新的材料层、改变材料层的接合方式、不同的材料表面处理等。不过,无论如何变化,大体都不脱两个要则:一、降低遮蔽、增加光透率。二、强化光折射、反射的利用率。

 

  举例来说,过去AlGaInP的LED,其基板所用的材料为GaAs,然黑色表面的GaAs使p-n接面散发出的光有一半被遮挡吸取,造成光能的浪费,因此改用透明的GaP材料来做基板。又如日本日亚化学工业(Nichia)在GaN的LED中,将p型电极(p type)部分做成网纹状(Mesh Pattern),以此来增加p极的透明度,减少光阻碍同时提升光透量。

 

  至于增加折反射上,在AlGaInP的结构中增加一层DBR(Distributed Bragg Reflector)反射层,将另一边的光源折向同一边。GaN方面则将基板材料换成蓝宝石(Sapphire,Al2O3,三氧化二铝)来增加反射,同时将基板表面设计成凹凸纹状,藉此增加光反射后的散射角度,进而使取光率提升。或如德国欧司朗(OSRAM)使用SiC材料的基板,并将基板设计成斜面,也有助于增加反射,或加入银质、铝质的金属镜射层。
 

 

 

▲亮度提升的LED已经跨足到公众场合的号志应用,此为国内工地外围的交通方向指示灯,即是用HB LED所组构成。

 

  附注3:AlGaInP(磷化铝镓铟)也称为「四元发光材料」,即是以Al、Ga、In、P四种元素化合而成。

 

  附注4:在一般的图形结构讲解时,p-n接面也称为「发光层,emitting layer或active layer、active region」。

 

  附注5:除了减少光遮、增加反射外,有时换用不同技术的用意是在于规避其它业者已申请的专利。
 

 


 

▲各种AlGaInP LED的发光效能强化法,由左至右为技术先进度的差别,最左为最基础标准的LED几何结构,接著开始加入DBR(Distributed Bragg Reflector)反射层,再来是有DBR后再加入电流局限(Current Blocking)技术,而最右为晶元光电的OMA(Omni-directional Mirror Adherence)全方位镜面接合技术,该技术也将基板材质从GaAs换成Si。
 


 

▲对GaN、InGaN化合材料的LED而言,也有其自有的一套制程结构光通强化法,以德国OSRAM来说,1999年还在使用标准结构,2002年就进展到ATON结构,2003年换成更佳的NOTA结构,2005年则是ThinGaN结构。

 

■封装层:抗老化黄光、透光率保卫战

 

  从裸晶层面努力增加光亮后,接著就正式从封装层面接手,务使光通维持最高、光衰减至最少。

 

  要有高的流明保持率(Transmittance,透光率、穿透率,以百分比单位表示),第一步是封装材质,过去LED最常用的是环氧树脂(epoxy),不过环氧树脂老化后会逐渐变黄(因「苯环」成份),进而影响光亮颜色,尤其波长愈低时老化愈快,特别是部分WLED使用近紫外线(Near ultraviolet)发光,与其它可见光相比其波长又更低,老化更快。

 

  新的提案是用矽树脂(silicone)换替环氧树脂,例如美国Lumileds企业的Luxeon系列LED即是改采矽封胶。

 

  使用矽胶的不只是Lumileds Luxeon,其它业者也都有矽胶方案,如通用电气.东芝(GE Toshiba)企业的InvisiSi1,东丽.道康宁(Dow Coring Toray)的SR 7010等也都是LED的矽胶封装方案。

 

  矽胶除了对低波长有较佳的抗受性、较不易老化外,矽胶阻隔近紫外线使其不外泄也是对人体健康的一种保护,此外矽胶的光透率、折射率、耐热性都很理想,GE Toshiba的InvisiSi1具有高达1.51.53的折射率,波长范畴在350nm800nm间的光透率达95%,且波长低至300nm时仍有75%80%的光透,或者与折射率进行取舍,将折射率降至1.41,如此即便是300nm波长也能维持95%的光透性。同样的,Dow Coring Toray的SR 7010在405nm波长以上时光透率达99%,且硬化处理后折射率亦有1.51,另外耐热上也都能达180℃200℃的水平,关于热的问题大家在此暂不讨论。

 

  此外,也有业者提出所谓的无树脂封装,即是用玻璃来作为外套保护,或如日本京瓷(Kyocera)提出的陶瓷封装,都是为了抗老化而提出,其中陶瓷也有较佳的耐热效果。
 


 

▲Lumileds Lighting企业的Luxeon系列LED(InGaN)的横切面图,从图中可知Luxeon用矽封装进行裸晶防护,而非传统的环氧树脂。
 


 

▲随著使用时间的增长,LED的光通量也会逐渐降低,图中是两个LED的寿命光通量曲线比较,下方蓝色线为一般5mm的WLED指示灯,上方红色线则是高功率LED照明灯。

 

  附注6:另一个加速环氧树脂老化变黄的因素来自温度,高温会加速老化。

 

■封装层:透镜的透射 反射杯的反射、折射

 

  前述的封装主要在于保护LED裸晶,并在保护之余尽可能让光热忠实向外传递,接下来还是在封装层面,不过不再是内覆的Resin部分,而是外盖的Lens部分。

 

  在用胶封装完后,依据LED的不同用途会有各种不同的接续作法,例如做成一个一个的独立封装元件,过去最典型的单颗LED指示灯即是如此,另一种则是将多个LED并成一个整体性元件,如七段显示器、点阵型显示器等。此外焊接脚位方面也有两种区分,即穿孔技术(Through-Hole Technology;THT)及表面黏著技术(Surface-Mount Technology;SMT)。

 

  在此暂且不谈论群集性的七段显示器、点阵型显示器,而就逐一独立、分离、离散性的封装来说,也要因应不同的应用而有不同的封装外观,若是与过往LED相同是做为穿孔性焊接的状态指示灯则只要采行灯泡(Lamp)型态的封装(今日也多俗称成「炮弹型」),即便确定是此型也还有透镜型态(Lens Type)的区别,如典型Lamp、卵椭圆Oval、超卵椭圆Super Oval、平直Flat等。而若是表面黏著型,也有顶视Top View、边视Side View、圆顶Dome等。

 

  为何要有各种不同的透镜外型?其实也有各自的应用需求,就一般而言,Lamp用来做指示灯号、Oval用于户外标示或号志、Top View用来做直落式的背光、Flat与Side View配合导光板(Guide Plate:LGP)做侧边入光式的背光、Dome做为小型照明灯泡、小型闪光灯等。

 

  外型不同、应用不同,发光的可视角度(View Angle)也就不同,此部分也就再次考验封装设计,运用不同的设计方式,可以获得不同的发光角度、光强度、光通量,此方面常见的作法有四:中轴透镜Axial lens、平直透镜Flat lens、反射杯Reflective cup、岛块反射杯Reflective cup by island。

 

  一般的Lamp用的即是中轴透镜法,Dome及Oval/Super Oval等也类似,但Oval/Super Oval的光亮比Lamp更集中在轴向的小角度内。而Flat则是用平直透镜法,好处是光视角比中轴透镜法更大,但缺点是光通量降低、光强度减弱。至于Top View、Side View等则多用反射杯或岛块反射杯,此作法是在封装内加入反射镜,对部分发散角度的光束进行反射、折射等收敛动作,使角度与光强度能取得平衡。

 


 

▲日亚化学工业(Nichia)的5mm白光LED,图中可见炮弹(Lamp)型封装内部也使用碗状的反射杯(Reflective cup)设计来强化光照角度及强度。

 

  就技术难易来说,只用上透镜的Axial lens、Flat lens确实较为简易,只要考虑透射与光束发散性,相对的有Reflective cup就不同了,原有的透射、发散一样要考虑,还要追加考虑反射、折射以及光束收敛,确实更加复杂。

 

  还有,大家还没讨论材质,透镜部分除了可持续用原有的覆胶材质外也可以改用其它材质,因为透镜已较为讲究光透而较不讲究裸晶防护,如此还可采行塑料(Plastic)、压克力(Acrylic)、玻璃(Glass)、聚碳酸酯(Polycarbonate)等,且如之前所述,光透性与波长有关,不同波长光透度不同,再加上有不同的材质可选择,甚至要为透镜上色,好增加光色的对比度,或视应用场合的装饰效果(玩具、耶诞树),还有前面的透镜、反射杯等几何设计等,以上种种构成了LED光通上的第四道课题。

 

  附注7:今日有的LED也在Lamp型封装内使用反射杯技术。

 

■结束语

 

  最后,HB LED被人强调为「绿色照明」,言下之意「环保」是其很大的诉求点,所以不仅要无铅(Pb Free)封装,还要合乎今日欧洲RoHS(Restriction of Hazardous Substances Directive,限用危害物质指令)的法令规范,无论封装与LED整体都不能含有汞、镉、六价铬(hexavalent chromium)、多溴联苯(PolyBrominated Biphenyls;PBB)、多溴联苯醚(PolyBrominated Diphenyl Ether;PBDE)等环境有害物,此外WEEE(Waste Electrical and Electronic Equipment directive,废弃电子电机设备指令)等其它相关法规也必须遵守。

 

  当然,前面大家也已经约略提到封装物必须能封阻与抗受低波长、紫外光,还要有一定的硬度来抗受机械外力,以及耐热性,此外绝缘、抗静电、抗湿也都必须注意。

 

  更重要的是,无论您要不要高亮度,都必须尽可能将光亮导出,因为,若不能忠实导出光能,光能在封装层内被吸取,就会转化成热能,为封装上的散热问题又添一项顾虑因素,事实上LED的热若不能顺利排解与降低,成为热负荷,反过来一样要伤害LED本体,包括亮度也会受到影响,因此,达到最佳、最理想的光通,是封装设计必然要重视的一课!

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