改进封装技术 提高HB LED光通量[1]

　　毫无疑问，这个世界需要高亮度发光二极管（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（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，且有较高的抗外力性。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、交通信号灯、信息广告牌、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10～30lm/W内的层次，然而在白光LED突破60lm/W甚至达100lm/W后，就连荧光灯、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，但除了核心的荧光质、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）几乎意味着HP（高功率、高用电），进出LED的电流值持续在增大，倘若不能良好散热，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。

　　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％～2％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。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。

　　“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。方法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，大体都不离两个原则：一、降低遮蔽、增加光透率。二、强化光折射、反射的利用率。如过去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收，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），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（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。