改变封装技术可让LED照明可靠性大增

　　为满足市场需求，业界针对各种产品系列，包括能够实现高演色性与高可靠性的照明用LED、以PICOLED 为代表产品的小型薄型LED，以及车用客製化色彩LED 等倾注了相当的研发资源。

　　照明用白光LED 产值急速成长

　　受到世界节能趋势以及日本东北大地震所引发的节能意识高涨，日本市场对于照明用白光LED 的需求量大增，促使LED 照明市场产值正不断急遽成长，然而，若要让照明光源完全从传统的白炽灯泡照明方式转换为LED 照明，在产品特性上仍有些亟待解决的问题存在，其中，业界研发重点尤以LED 灯的高演色性与高可靠性为主，以下将分别就业者针对高Ra 值与发光效率的技术做分享。

　　兼顾高Ra 值与发光效率

　　平均演色性评价指数(Ra)就是光源使物体表现或重现真实颜色的一种指数，指数愈高，代表颜色重现性愈佳(太阳光的Ra 为100)，市场上期盼照明用白光LED 能够兼具高发光效率与高演色性(Ra≧80)，但发光效率与Ra 值两者之间却存在着效益权衡(Trade-off)特性(图1)。由于市场上对于发光效率有更高的要求，因此目前市场上多为Ra≒70 的高发光效率LED。

　　图1 发光效率与Ra 值间具效益权衡

　　一般白光LED 灯的封装结构是将蓝光LED 晶片安装在基板上，再以含有萤光体的树脂进行封装。在LED 元件的发光色(蓝色)与萤光体的发光色(黄色、红色或绿色等)混合后，便会形成白光。

　　从发光效率的观点上来看，一般大多以蓝光+黄光来形成白光，但这样会造成红光的重现性不佳，因此不适合照明用途。一般所採用的解决方法就是增加红光的成分，藉此改善红光的重现性，但如此会有导致发光效率不理想的问题。

　　为兼顾高发光效率与高Ra 值，业者将萤光体有效率地配置于封装内部，以两全其美的技术做为解决对策，成功地研发出Ra≧80 且发光效率极高的产品(图2)。该系列产品无论在Ra 或R9(红色)指数上的表现均十分良好，与Ra 值相同的其他厂牌产品相较之下，该系列产品的R9 值更高，红色的重现性也更佳(图3)。随着此项技术的突破，LED 灯不但能降低色度的不均，还能因应更细緻的色度等级。

　　图2 业界已研发出兼顾高发光效率与高Ra 值的产品

　　图3 新一代LED 的红色(R9)值表现已大幅提高

　　高可靠度

　　近年来，市场上对于可靠性的相关需求也变得日益高涨。尤其是由于LED 封装反射率较高，一般大多採用镀银的方式，不过银会因为硫化(因与硫磺产生反应而变黑的一种现象)而造成LED 光束劣化，该现象对于户外LED 灯造成严重问题，因此各家厂商莫不提出各种镀银方案的因应对策，但目前此问题仍无法完全获得改善。

　　有鉴于此，业界舍弃镀银方式，改採镀镍/镀金的方式。将LED 封装镀银改为镀镍/镀金后，虽然会导致成本增加，并因反射率的降低而造成发光效率不佳，但经由封装结构的改善后，目前这些问题都已成功地被克服。

　　新封装结构既能维持高发光效率，又能实现高可靠性的LED 发光表现，该系列产品即使在硫化试验中也展现出绝佳的表现，可完全避免光束劣化的现象。

　　LED 小型/薄型化

　　随着行动装置体积轻薄短小化，市场上对于小间距产品的需求逐年强烈，零件也面临着更多降低高度及缩小尺寸之要求。此外，由于户外全彩显示装置大多採用LED，为提高表现效果，全彩型LED 封装亦朝向更高密度发展(图4)。

　　图4 全彩型LED 封装朝向更高密度发展

　　以ROHM 为例，其自1996 年开始生产SMD 型LED 以来，每年不断地朝向产品小型与薄型化迈进，2007 年成功地展开世界最小最薄产品-1006(0402 英吋(inch))(t=0.2 毫米(mm))尺寸「PICOLED 系列」量产，目前更成功地研发出0603(0201 英吋)尺寸的「PICOLED-mini」(图5)。以下详述LED 照明产品以小型薄型封装的重要关键技术。

　　图5 微型化LED 晶片

　　元件技术

　　为让封装更小、更薄，内部的LED 元件也必须同时採用小型薄型规格。因此，业者从晶圆上的发光层成膜到晶片化均採用自行研发的製程技术，终于成功地将磷化铝镓铟(AlGaInP)发光LED 的元件尺寸缩小至边角0.13 毫米(mm)、厚度t=50 微米(μm)，一举实现小型化目标。

　　铸模技术

　　为确保产品的强度，业者提出针对半导体元件进行树脂封止的加工方法。树脂封止加工係採用移转成形(TransferMold)法，但铸模模具的模穴会愈来愈薄(模穴厚度0.10 毫米)，因此必须确保树脂的流动性。此外，为确保LED 的光学特性，无法对其添加用来确保零件强度的填充材料，如此一来，便会造成产品在机械性强度上的降低，但上述问题目前皆已解决。

　　组装技术

　　在LED 晶片的製作上，必须在厚度t=0.10 毫米的封止树脂中对LED 元件进行焊线，因此业者採用自行研发的焊线机，成功缩小间距并降低迴路。

　　目前，世界最小的超小型LED 体积仅1006 尺寸，厚度仅0.2 毫米，此产品不受设置空间的限制，并採用高亮度LED 元件，透过LED 发光，能够让光线从行动电话的外壳内部进行穿透照明。

　　不但如此，超小型LED 还可适用于点矩阵显示器。传统的1608 尺寸产品最小间距为2毫米，而超小型LED 却能以最小间距1.5 毫米进行高密度安装，因此能展现出更细緻的表现效果。

　　在其他特色方面，由于该方案的封装尺寸极小，因此可以用在七段显示器、点矩阵显示器模组上，并省略在晶片直接封装(COB)技术上所必须的晶粒黏着(Die-bonding)、焊线、树脂接合(Bonding)等製程。

　　车用LED 照明受瞩目

　　随着LED 灯泡及照明用途急速普及化，车用LED 照明较以往更受到市场的青睐。在车辆内装用途上，无论是汽车音响、汽车导航系统或是空调面板等主要背光，目前几乎已全面採用LED 光源。接下来，像是目前仍採用传统灯泡的室内灯及警示灯，以及採用冷阴极管的仪表板背光等也将渐渐地面临汰换的命运。

　　在车辆外装上，近年来像是尾灯、转向灯、定位灯等传统灯泡也已逐步被汰换，甚至连头灯也都由传统的卤素灯、高亮度放电(HID)灯转而被LED 灯所取代。若从环境辨识性的观点上来看，採用LED 灯作为昼行灯(Daytime Running Lamps，DRL)的趋势更是值得关注。为因应多样化的车用需求，业界在车用LED 技术研发上，将以下列两项为研发重点。

　　色度及亮度之客制化需求

　　在汽车内装方面，像是空调面板等仪表板周边的光源大多由车厂来指定颜色。业者所推出的磷化铝镓铟元件型LED 系列产品，挟元件自製优势，无论是色彩、光度皆可依客户要求自行客制化。

　　其他像是利用氮化铟镓(InGaN)及含有萤光体的树脂所成功创造出的白光及粉色LED系列，也能提供色彩客制化功能。像是主要按键的背光等使用频率较高的按键，即可藉由微妙的颜色差异突显其与相邻按键之相异性，藉此唤起使用者的注意。这种磷化铝镓铟元件採用在磊晶成长(Epitaxial Growth)阶段上抑制波长差异的技术，因此能够满足客户严格的规格要求。

　　研发耐硫化对策/扩充新品

　　另一方面，市场对于尾灯等车辆外装用途的LED 灯最大要求莫过于耐热性及对严苛气候的耐受性，但由于传统的LED 封装的导线架为镀银材料，容易产生硫化及光束劣化问题，目前这个问题也开始受到重视。

　　鉴于此，业界改镀镍/镀钯/镀金做为导线架材料，成功解决因硫化所造成的光束劣化问题。另外，对于镀镍/镀钯/镀金所引起的光度降低缺点，业者亦研发出新的一系列产品(图6)，藉由提高元件本身输出效率的方式来解决，展现出毫不逊于镀银产品的光束强度。未来，业界将採镀镍/镀钯/镀金做为封装硫化改善对策，并积极扩充新的产品系列，以满足客户的多样化需求。

　　图6 业者利用提高LED 光输出效率，来降低封装材料替换所引发的光度降低缺点

编辑：Cedar