高亮度LED技术与应用趋势

高亮度LED技術與應用趨勢(1)

高亮度LED之「封裝光通」原理技術探析 （郭長祐／DigiTimes.com）

2006/07/10

前言：毫無疑問的，這個世界需要高亮度發光二極體（High Brightness Light-Emitting Diode；HB LED），不僅是高亮度的白光LED（HB WLED），也包括高亮度的各色LED，且從現在起的未來更是積極努力與需要超高亮度的LED（Ultra High Brightness LED，簡稱：UHD LED）。

用LED背光取代手持裝置原有的EL背光、CCFL背光，不僅電路設計更簡潔容易，且有較高的外力抗受性。用LED背光取代液晶電視原有的CCFL背光，不僅更環保而且顯示更逼真亮麗。用LED照明取代白光燈、鹵素燈等照明，不僅更光亮省電，使用也更長效，且點亮反應更快，用於煞車燈時能減少後車追撞率。

所以，LED從過去只能用在電子裝置的狀態指示燈，進步到成為液晶顯示的背光，再擴展到電子照明及公眾顯示，如車用燈、交通號誌燈、看板訊息跑馬燈、大型影視牆，甚至是投影機內的照明等，其應用仍在持續延伸。

更重要的是，LED的亮度效率就如同摩爾定律（Moore''s Law）一樣，每24個月提升一倍，過去認為白光LED只能用來取代過於耗電的白熾燈、鹵素燈，即發光效率在10～30lm/W內的層次，然而在白光LED突破60lm/W甚至達100lm/W後，就連螢光燈、高壓氣體放電燈等也開始感受到威脅。

雖然LED持續增強亮度及發光效率，但除了最核心的螢光質、混光等專利技術外，對封裝來說也將是愈來愈大的挑戰，且是雙重難題的挑戰，一方面封裝必頇讓LED有最大的取光率、最高的光通量，使光折損降至最低，同時還要注重光的發散角度、光均性、與導光板的搭配性。

另一方面，封裝必頇讓LED有最佳的散熱性，特別是HB（高亮度）幾乎意味著HP（High Power，高功率、高用電），進出LED的電流值持續在增大，倘若不能良善散熱，則不僅會使LED的亮度減弱，還會縮短LED的使用壽命。

所以，持續追求高亮度的LED，其使用的封裝技術若沒有對應的強化提升，那麼高亮度表現也會因此打折，因此本文將針對HB LED的封裝技術進行更多討論，包括光通方面的討論，也包括熱導方面的討論。

附註：大陸方面稱為「發光二極管」。

附註：一般而言，HB LED多指8lm/W（每瓦8流明）以上的發光效率。

附註：一般而言，HP LED多指用電1W（瓦）以上，功耗瓦數以順向導通電壓乘以順向導通電流（Vf×If，f＝forward）求得。

■裸晶層：「量子井、多量子井」提升「光轉效率」

雖然本文主要在談論LED封裝對光通量的強化，但在此也不得不先說明更深層核心的裸晶部分，畢竟裸晶結構的改善也能使光通量大幅提升。

首先是強化光轉效率，這也是最根源之道，現有LED的每瓦用電中，僅有15％～20％被轉化成光能，其餘都被轉化成熱能並消散掉（廢熱），而提升此一轉換效率的重點就在p-n接面（p-n junction）上，p-n接面是LED主要的發光發熱位置，透過p-n接面的結構設計改變可提升轉化效率。

▲量子井（Quantum Well；QW）的結構圖。（郭長祐製圖）

關於此，目前多是在p-n接面上開鑿量子井（Quantum Well；QW），以此來提升用電轉換成光能的比例，更進一步的也將朝更多的開鑿數來努力，即是多量子井（Multiple Quantum Well；MQW）技術。

■裸晶層：「換料改構、光透光折」拉高「出光效率」

如果光轉效率難再要求，進一步的就必頇從出光效率的層面下手，此層面的作法相當多，依據不同的化合材料也有不同，目前HB LED較常使用的兩種化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN，前者用來產生高亮度的橘紅、橙、黃、綠光，後者GaN用來產生綠、翠綠、藍光，以及用InGaN產生近紫外線、藍綠、藍光。

至於作法有哪些？這包括改變實體幾何結構（橫向轉成垂直）、換用基板（substrate，也稱：襯底）的材料、加入新的材料層、改變材料層的接合方式、不同的材料表面處理等。不過，無論如何變化，大體都不脫兩個要則：一、降低遮蔽、增加光透率。二、強化光折射、反射的利用率。

舉例來說，過去AlGaInP的LED，其基板所用的材料為GaAs，然黑色表面的GaAs使p-n接面散發出的光有一半被遮擋吸收，造成光能的浪費，因此改用透明的GaP材料來做基板。又如日本日亞化學工業（Nichia）在GaN的LED中，將p型電極（p type）部分做成網紋狀（Mesh Pattern），以此來增加p極的透明度，減少光阻礙同時提升光透量。

至於增加折反射上，在AlGaInP的結構中增加一層DBR（Distributed Bragg Reflector）反射層，將另一邊的光源折向同一邊。GaN方面則將基板材料換成藍寶石（Sapphire，Al2O3，三氧化二鋁）來增加反射，同時將基板表面設計成凹击紋狀，藉此增加光反射後的散射角度，進而使取光率提升。或如德國歐司朗（OSRAM）使用SiC材料的基板，並將基板設計成斜面，也有助於增加反射，或加入銀質、鋁質的金屬鏡射層。

▲亮度提升的LED已經跨足到公眾場合的號誌應用，此為國內工地外圍的交通方向指示燈，即是用HB LED

所組構成。（郭長祐攝影）

附註：AlGaInP（磷化鋁鎵銦）也稱為「四元發光材料」，即是以Al、Ga、In、P四種元素化合而成。

附註：在一般的圖形結構解說時，p-n接面也稱為「發光層，emitting layer或active layer、active region」。

附註：除了減少光遮、增加反射外，有時換用不同技術的用意是在於規避其他業者已申請的專利。

▲各種AlGaInP LED的發光效能強化法，由左至右為技術先進度的差別，最左為最基礎標準的LED幾何結構，接著開始加入DBR（Distributed Bragg Reflector）反射層，再來是有DBR後再加入電流侷限（Current Blocking）技術，而最右為晶元光電的OMA（Omni-directional Mirror Adherence）

全方位鏡面接合技術，該技術也將基板材質從GaAs換成Si。（圖片來源：晶元光電）

▲對GaN、InGaN化合材料的LED而言，也有其自有的一套製程結構光通強化法，以德國OSRAM來說，1999年還在使用標準結構，2002年就進展到ATON結構，2003年換成更佳的NOTA結構，2005年則是ThinGaN

結構。（圖片來源：晶元光電）

■封裝層：抗老化黃光、透光率保衛戰

從裸晶層面努力增加光亮後，接著就正式從封裝層面接手，務使光通維持最高、光衰減至最少。

要有高的流明保持率（Transmittance，透光率、穿透率，以百分比單位表示），第一步是封裝材質，過去LED最常用的是環氧樹脂（epoxy），不過環氧樹脂老化後會逐漸變黃（因「苯環」成份），進而影響光亮顏色，尤其波長愈低時老化愈快，特別是部分WLED使用近紫外線（Near ultraviolet）發光，與其他可見光相比其波長又更低，老化更快。

新的提案是用矽樹脂（silicone）換替環氧樹脂，例如美國Lumileds公司的Luxeon系列LED即是改採矽封膠。

使用矽膠的不只是Lumileds Luxeon，其他業者也都有矽膠方案，如通用電氣〃東芝（GE Toshiba）公司的InvisiSi1，東麗〃道康寧（Dow Coring Toray）的SR 7010等也都是LED的矽膠封裝方案。

矽膠除了對低波長有較佳的抗受性、較不易老化外，矽膠阻隔近紫外線使其不外洩也是對人體健康的一種保護，此外矽膠的光透率、折射率、耐熱性都很理想，GE Toshiba的InvisiSi1具有高達1.5～1.53的折射率，波長範疇在350nm～800nm間的光透率達95％，且波長低至300nm時仍有75％～80％的光透，或者與折射率進行取捨，將折射率降至1.41，如此即便是300nm波長也能維持95％的光透性。同樣的，Dow Coring Toray的SR 7010在405nm波長以上時光透率達99％，且硬化處理後折射率亦有1.51，另外耐熱上也都能達180℃～200℃的水準，關於熱的問題我們在此暫不討論。

此外，也有業者提出所謂的無樹脂封裝，即是用玻璃來作為外套保護，或如日本京瓷（Kyocera）提出的陶瓷封裝，都是為了抗老化而提出，其中陶瓷也有較佳的耐熱效果。

▲Lumileds Lighting公司的Luxeon系列LED（InGaN）的橫切面圖，從圖中可知Luxeon用矽封裝進行

裸晶防護，而非傳統的環氧樹脂。（圖片來源：Lumileds.com）

▲隨著使用時間的增長，LED的光通量也會逐漸降低，圖中是兩個LED的壽命光通量曲線比較，下方藍色線為一

般5mm的WLED指示燈，上方紅色線則是高功率LED照明燈。（圖片來源：Lumileds.com）

附註：另一個加速環氧樹脂老化變黃的因素來自溫度，高溫會加速老化。

■封裝層：透鏡的透射 反射杯的反射、折射

前述的封裝主要在於保護LED裸晶，並在保護之餘盡可能讓光熱忠實向外傳遞，接下來還是在封裝層面，不過不再是內覆的Resin部分，而是外蓋的Lens部分。

在用膠封裝完後，依據LED的不同用途會有各種不同的接續作法，例如做成一個一個的獨立封裝元件，過去最典型的單顆LED指示燈即是如此，另一種則是將多個LED併成一個整體性元件，如七段顯示器、點陣型顯示

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