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改进封装技术提高HBLED光通量

作者:佚名 文章来源:本站原创 点击数:390 更新时间:2016-7-30 上午 09:37:02

毫无疑问,这个世界需要高亮度发光二极管(HBLED),不仅是高亮度的白光LED(HBWLED),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(UHDLED)。

毫无疑问,这个世界需要高亮度发光二极管(HB),不仅是高亮度的白光LED(HBWLED),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(UHDLED)。

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。用取代白光灯、卤素灯等,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''sLaw)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HBLED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-njunction)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(QuantumWell;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(MultipleQuantumWell;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HBLED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(ptype)部分做成网纹状(MeshPattern),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(DistributedBraggReflector)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。

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,接着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),第一步是封装材质。过去LED最常用的是环氧树脂(epoxy),但环氧树脂老化后会逐渐变黄,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(Nearultraviolet)发光,与其它可见光相比其波长又更低,老化更快。新的提案是用硅树脂(silicone),例如美国Lumileds公司的Luxeon系列LED即是改采硅封胶。不只是LumiledsLuxeon,其它业者也都有硅胶方案,如通用电气.东芝公司的InvisiSi1,东丽.道康宁的SR7010等也都是LED的硅胶封装方案。

硅胶除了对低波长有较佳的抗受性、较不易老化外,硅胶阻隔近紫外线使其不外泄也是对人体健康的一种保护,此外硅胶的光透率、折射率、耐热性都很理想。GEToshiba的InvisiSi1具有高达1.5~1.53的折射率,波长范畴在350nm~800nm间的光透率达95%,且波长低至300nm时仍有75%~80%的光透,将折射率降至1.41,即便是300nm波长也能维持95%的光透性。DowCoringToray的SR7010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。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,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。

封装层:透镜的透射反射杯的反射、折射

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组件,过去最典型的单颗即是如此。另一种则是将多个LED并成一个整体性组件,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-HoleTechnology)及表面黏着技术(Surface-MountTechnology)。

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。若是作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(俗称成“炮弹型”),即便是此也还有透镜型态(LensType)的区别,如典型Lamp、卵椭圆Oval、超卵椭圆SuperOval、平直Flat等。而若是表面黏着型,也有顶视TopView、边视SideView、圆顶Dome等。

为何要有各种不同的透镜外型?就一般而言,Lamp用来做指示灯号、Oval用于户外标示或号志、TopView用来做直落式的背光、Flat与SideView配合导光板(GuidePlate)作侧边入光式的背光、Dome作为小型照明灯泡、小型闪光灯等。外型不同、应用不同,发光的可视角度(ViewAngle)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,此方面常见的做法有四:中轴透镜Axiallens、平直透镜Flatlens、反射杯Reflectivecup、岛块反射杯Reflectivecupbyisland。一般的Lamp用的即是中轴透镜法,Dome及Oval/SuperOval等也类似,但Oval/SuperOval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TopView、SideView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。

就技术难易来说,只用上透镜的Axiallens、Flatlens较为简易,只要考虑透射与光束发散性,相对的有Reflectivecup就不同了,原有的透射、发散都要考虑,还要考虑反射、折射以及光束收敛,更加复杂。

材质方面,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、圣诞树),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。

结语

HBLED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(PbFree)封装,还要合乎今日欧洲RoHS(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(hexavalentchromium)、多溴联苯(PolyBrominatedBiphenyls;PBB)、多溴联苯醚(PolyBrominatedDiphenylEther;PBDE)等环境有害物,此外WEEE(废弃电子电机设备指令)等其它相关法规也必须遵守。

前面我们也已经简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,无论是否高亮度,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收,就会转化成热能,为封装上的散热问题又添一项课题,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课题!

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