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搭配二次光學設計的LED燈具

Date:2014-08-12 17:51:39

新穎的無封裝LED具備更好的散熱條件,同時整合磊晶、晶粒與封裝制程,可更便利地搭配二次光學設計照明燈具

LED光源應用將繼LCD背光源應用需求高峰后,逐步轉向至LED一般照明應用上。但與LCD背光模組設計不同的是,LCD背光模組較不用考量光

型與照明應用條件,以單位模組的發光效率要求為主;但LED照明應用除亮度要求外,必須額外考量光型、散熱、是否利于二次光學設計,與配

合燈具設計構型要求等,實際上對于LED光源元件的要求更高。

早期封裝技術限制多散熱問題影響高亮度設計發展

早期LED光源元件,封裝材料主要應用炮彈型封裝體,在高發光效率的藍光LED初期使用相當常見,而在智慧手機、行動電話產品薄型化設

計需求推進下,采用表面黏著(surface-mountdevices;SMD)型態的LED光源需求漸增,而采用表面黏著技術設計的LED光源元件,可利用卷帶式

帶裝材料進料加速生產加工效能,透過自動化生產增加加工效率外,也帶來LED封裝技術的新應用市場,加上后繼磊晶結構、封裝技術雙雙進步

相互加持,LED光源材料發光效率漸能超越傳統燈具表現。

以照明應用需求觀察,照明燈具對于發光效能的要求越來越高,而LED光源目前左右光輸出效能的技術關鍵,發光效率主要由磊晶、晶粒與

封裝技術方案左右表現。目前磊晶的單位發光效率已經發展趨近極限,發光效率可再跳躍成長的空間相對有限,而持續加大晶粒面積、改善封

裝技術,是相對可以大幅增加單位元件發光效能的可行方案。但若要能再提升元件的性價比,晶粒面積增大化較無成本優化空間,反而是封裝

技術選擇將直接影響終端材料元件的成本,也就是說,封裝技術將成為照明用LED的成本關鍵。

晶片級封裝導入LED體積小、可靠度高

晶片級封裝(ChipScalePackage;CSP)為2013年LED業界最熱門的封裝技術方案,其實CSP在半導體業界并不是新技術,只是在LED光源元件應

用上尚屬新穎的先進技術。在傳統半導體晶片級封裝應用目的,在于縮小封裝處理后的元件最終體積,同時以改善散熱、提升晶片本身的應用

可靠度與穩定性為主。而在LED發光元件的晶片級封裝主要定義為,封裝體與LED晶片接近或是封裝體體積不大于晶片的20%為主,而經晶片級封

裝的LED本身也必須為功能完整的封裝元件。

晶片級封裝主要是改善邏輯晶片接腳持續增加、元件散熱性能提升與晶片微縮目的,透過晶片級封裝整合效益,可以讓晶片的元器件寄生

現象減少,同時可以增加Level2封裝的元件整合度,而晶片級封裝在LED光源器件的應用需求,也可達到顯著程度的效益。

典型晶片級封裝是不需要額外的次級基板、導線架等,而是可將晶片直接貼合在載板之上,晶片級封裝為將LED二極體的P/N電極制作于晶

片底部,并可利用表面黏著自動化方式進行元件組裝,若比較必須打線進行元件制作的制作流程,晶片級封裝可以對組裝與測試流程相對提升

,同時達到降低加工復雜度與成本的雙重目的。

LED采晶片級封裝方案,元件可獲得更佳的散熱表現、高流明輸出、高封裝密度、更具彈性、簡化基板等優點,同時少了打線制程也可讓終

端元件的可靠度提升。

無封裝LED方案熱門高發光角度、發光效率

同樣也是追求元件的高亮度表現、低成本要求與更便利的生產條件目的,推進了新穎的無封裝LED(EmbeddedLEDChip)的使用需求。以無封

裝LED與晶片級封裝LED元件特性進行比較,無封裝LED對于元件散熱效果表現更好,而無封裝LED制作技術,另整合磊晶、晶粒與封裝制程,元

件亦可搭配二次光學設計整合,也能讓終端成品具備更高亮度、更大發光角與更小體積特點,同時可以達到壓縮制作成本目的,發光元件可提

供燈具業者多元化與更具彈性的設計空間。

傳統封裝架構中,為由反射杯構成一個內部腔體,再搭配晶片打線制程處理驅動電力串接,雖然制程簡單,但也造成終端元件的散熱能力

因此受限。在新穎的LCD背光源與照明燈具設計要求,LED光源元件就必須在減小發光面積要求下同時增加單位元件的驅動瓦數,散熱關鍵即成

為這類應用需求的技術瓶頸。

無封裝LED可以將元件熱阻較傳統封裝下降約10倍,而無封裝LED不須設置反射杯腔體,也可因此省下反射杯制成的成本,優化整體元件的

性價比表現,同時也是無封裝LED技術優勢,無封裝LED搭配特殊的螢光膠膜進行貼合,也能讓LED的發光角度進一步達到160度表現,在元件的

發光效能、機構特性與散熱優勢均能有效提升。

無封裝LED技術具極小發光面積、較大發光角度,相較于傳統封裝方案的光源元件表現,無封裝LED技術的光型表現更接近點狀光源,這種

材料特性使得無封裝LED技術更適合搭配進行二次光學處理設計,而較小的發光面積也表示元件的體積相對更小,亦可搭配更薄化的光學透鏡制

作成LED光源模組,尤其能應用于部分機構空間有限的燈具產品使用需求,例如,LCD直下式背光源或是平板燈具產品等。

若與晶片級封裝進行比較,無封裝LED技術在制程中導入螢光膠膜的貼合制程,這在LED光源照明應用可更容易控制發光表現特性,使燈具

在制作流程中還要搭配發光色澤檢測、配對程序,大幅簡化生產。

改善熱傳導架構無封裝LED熱阻表現佳

在LED傳統封裝中,晶片必須透過藍寶石基板和絕緣膠處理晶片熱度導熱,相對的在無封裝LED技術中,為利用覆晶(Flip-chip)的晶片結構

和金屬基板共晶制作技術概念,在無封裝LED元件的封裝體中可因為覆晶與金屬基板共晶的設計架構,使得元件本身的熱阻表現更低,也因此無

封裝LED技術在相同驅動瓦數下,晶片的發光區核心溫度可有效降低,同時也能減少晶片溫度持續高溫可能造成元件失效或是壽命縮短問題。

但無封裝LED也并非是完美的制程技術,因為要達到無封裝LED設計目的,必須同時具備磊晶、晶粒、封裝制程與元件成品的表面黏著技術

整合,整合的技術難度相當高,尤其在關鍵的覆晶結構設計中,無封裝LED要維持元件高可靠度表現其實難度相當高,主要是要尋求高反射率、

高導熱與附著良好的二極體材料,同時這些材料須具備高穩定性特質,也必須能耐受元件運作時的高溫、高壓、高電流的環境條件。

此外,無封裝LED本身即無外層封裝體進行保護,照明設備若需設置于高溫、高濕度惡劣環境中,也必須針對元件進行保護層設計,以增加

光源器件的使用壽命。

另外,在無封裝LED制程中,在封裝制程工作段為使用螢光膠膜替代傳統的封裝材料,而螢光膠膜內部也有置入螢光粉,用以搭配LED光源

與螢光粉產生白光,而螢光粉的選擇即會左右無封裝LED元件在照明應用的可靠度、發光效率、高溫表現狀態。

螢光膠膜畢竟與傳統封裝材料不同,在制程中需處理貼合與測試問題,不只是生產設備差異,相關的制程設備也需要進行優化與改善,都

會增加初期投產無封裝LED元件的復雜度。

為封裝LED燈具雖然可以改善LED燈具的散熱問題,但是也不是完美無瑕,無封裝需要多想整合技術,難度相當高,難度高必然就涉及成本

問題,能否主導還要看技術成熟度。

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