1、高亮度 LED 之封装光通原理技术分析毫无疑问的，这个世界需要高亮度发光二极管（High Brightness Light-Emitting Diode；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（ Ultra High Brightness LED，简称：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，且有较高的外力抗受性。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
2、、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、交通号志灯、看板讯息跑马灯、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（Moores 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 1030lm/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
3、。虽然 LED 持续增强亮度及发光效率，但除了最核心的荧光质、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（High Power，高功率、高用电） ，进出 LED 的电流值持续在增大，倘若不能良善散热，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
4、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。附注：大陆方面称为发光二极管 。附注：一般而言，HB LED 多指 8lm/W（每瓦 8 流明）以上的发光效率。附注：一般而言，HP LED 多指用电 1W（瓦）以上，功耗瓦数以顺向导通电压乘以顺向导通电流（VfIf，f forward）求得。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 1520被转化成光能，其
5、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。 此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 量子井（Quantum Well；QW）的结构图。（郭长佑制图）关于此，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。裸晶层：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
6、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。至于作法有哪些？这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，大体都不脱两个要则：一、降低遮蔽、增加光透率。二、强化光折射、反射的利用率。举例来说，过去 AlGaInP 的 LED，其基板所用的
7、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）在 GaN 的 LED 中，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（Sapphire，Al2O3，三氧化二铝）来增加反射，同时将基板表面设计成凹凸
8、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。此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 亮度提升的 LED 已经跨足到公众场合的号志应用，此为国内工地外围的交通方向指示灯，即是用 HB LED 所组构成。（郭长佑摄影）附注：AlGaInP（磷化铝镓铟）也称为四元发光材料，即是以 Al、Ga、In、P 四种元素化合而成。附注：在一般的图形结构解说时，p-n 接面也称为发光层，emitting layer 或 active layer、active region。附注：除
9、了减少光遮、增加反射外，有时换用不同技术的用意是在于规避其它业者已申请的专利。 此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 各种 AlGaInP LED 的发光效能强化法，由左至右为技术先进度的差别，最左为最基础标准的 LED 几何结构，接着开始加入 DBR（Distributed Bragg Reflector）反射层，再来是有 DBR 后再加入电流局限（Current Blocking）技术，而最右为晶元光电的 OMA（Omni-directional Mirror Adherence）全方位镜面接合技术，该技术也将基板材质从 GaAs 换成 Si。（图片来源：晶元光电）对 GaN、InGa
10、N 化合材料的 LED 而言，也有其自有的一套制程结构光通强化法，以德国 OSRAM 来说，1999 年还在使用标准结构，2002 年就进展到 ATON 结构，2003 年换成更佳的 NOTA 结构，2005 年则是ThinGaN 结构。（图片来源：晶元光电）此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 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，透光率、穿透率，以百分比单位表示），第一步是封装材质，过去 LED 最常用的是环氧树脂（epoxy），不过环氧树脂老化后会逐渐变黄（因
11、苯环成份），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（Near ultraviolet）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）换替环氧树脂，例如美国 Lumileds 公司的 Luxeon 系列 LED 即是改采硅封胶。使用硅胶的不只是 Lumileds Luxeon，其它业者也都有硅胶方案，如通用电气东芝（GE Toshiba）公司的 InvisiSi1，东丽道康宁（Dow Coring Toray）的 SR 7010 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
12、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，GE Toshiba 的 InvisiSi1 具有高达 1.51.53 的折射率，波长范畴在 350nm800nm 间的光透率达 95，且波长低至 300nm 时仍有 7580的光透，或者与折射率进行取舍，将折射率降至 1.41，如此即便是 300nm 波长也能维持 95的光透性。同样的，Dow Coring Toray 的 SR 7010 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 180200的水准，关于热的问题我们在此暂不讨论。此外，也有业者提出所谓的无树
13、脂封装，即是用玻璃来作为外套保护，或如日本京瓷（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。此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 Lumileds Lighting 公司的 Luxeon 系列 LED（InGaN）的横切面图，从图中可知 Luxeon 用硅封装进行裸晶防护，而非传统的环氧树脂。（图片来源：L）随着使用时间的增长，LED 的光通量也会逐渐降低，图中是两个 LED 的寿命光通量曲线比较，下方蓝色线为一般 5mm 的 WLED 指示灯，上方红色线则是高功率 LED 照明灯。（图片来源：L）此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 附注：另一个
14、加速环氧树脂老化变黄的因素来自温度，高温会加速老化。封装层：透镜的透射 反射杯的反射、折射前述的封装主要在于保护 LED 裸晶，并在保护之余尽可能让光热忠实向外传递，接下来还是在封装层面，不过不再是内覆的 Resin 部分，而是外盖的 Lens 部分。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 LED 指示灯即是如此，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-Hole Technology；THT）及表面黏着技术（Surface-Mo
15、unt Technology；SMT）。在此暂且不谈论群集性的七段显示器、点阵型显示器，而就逐一独立、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，若是与过往 LED 相同是做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（今日也多俗称成炮弹型），即便确定是此型也还有透镜型态（Lens Type）的区别，如典型 Lamp、卵椭圆 Oval、超卵椭圆 Super Oval、平直 Flat 等。而若是表面黏着型，也有顶视 Top View、边视 Side View、圆顶 Dome 等。为何要有各种不同的透镜外型？其实也有各自的应用需求，就一般而言，Lamp 用来做指示
16、灯号、Oval用于户外标示或号志、Top View 用来做直落式的背光、Flat 与 Side View 配合导光板（Guide Plate：LGP）做侧边入光式的背光、Dome 做为小型照明灯泡、小型闪光灯等。外型不同、应用不同，发光的可视角度（View Angle）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，此方面常见的作法有四：中轴透镜 Axial lens、平直透镜 Flat lens、反射杯 Reflective cup、岛块反射杯 Reflective cup by island。一般的 Lamp 用的即是中轴透镜法，Dome
17、及 Oval/Super Oval 等也类似，但 Oval/Super Oval 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 Top View、Side View 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。 此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 日亚化学工业（Nichia）的 5mm 白光 LED，图中可见炮弹（Lamp）型封装内部也使用碗状的反射杯（Reflective cup）设计来强化光照角度及强度。（
18、图片来源：Ledstyles.de）就技术难易来说，只用上透镜的 Axial lens、Flat lens 确实较为简易，只要考虑透射与光束发散性，相对的有 Reflective cup 就不同了，原有的透射、发散一样要考虑，还要追加考虑反射、折射以及光束收敛，确实更加复杂。还有，我们还没讨论材质，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较不讲究裸晶防护，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，
19、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、耶诞树），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。附注：今日有的 LED 也在 Lamp 型封装内使用反射杯技术。结尾最后，HB LED 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（Pb Free）封装，还要合乎今日欧洲 RoHS（Restriction of Hazardous Substances Directive，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（hexavalent chromium）、多溴联苯（PolyBro
20、minated Biphenyls；PBB）、多溴联苯醚（PolyBrominated Diphenyl Ether；PBDE）等环境有害物，此外 WEEE（Waste Electrical and Electronic Equipment directive，废弃电子电机设备指令）等其它相关法规也必须遵守。当然！前面我们也已经约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，无论您要不要高亮度，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
21、项顾虑因素，事实上 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的一课！此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 Lambda Research Corporation 的 OSLO 是专门用来设计透镜的软件，图为 OSLO EDU Edition（教育版）Revision 6.4.1，且已开启透镜数据库中的某一设计模板：8mm、0.5 NA 的雷射二极管准直仪，图右下部分为其光射线的轨迹分析。反射式高亮度 LED 带动液晶投影机变革近年來，電視機市場逐步轉變成為數位電視、前投式電視、背投
22、式電視類的大型電視市場。這類投射型電視的顯示器使用的光源，無一例外的都是超高壓水銀燈，超高壓水銀燈在照明時，為了把蒸汽壓控制在200 大氣壓左右而使用了大量的水銀。眾所周知，水銀的危害很大，為防止造成公害，避免使用水銀，目前尋找其替代品的開發研究很多，但是水銀是確保照明發光功率的必要條件，實在很難找到其他方便且適用的替代品。不過，照明時伴隨電流增大造成的電極消耗，高電壓和高費用，燈的使用壽命等問題又不得不解決，目前無水銀燈僅限於惰性氣體照明燈，和微波照明式的無電極燈。另一方面，2000 年後，因為 LED 的功率提高，它作為小型鹵素燈的替代光源受到了世人的矚目。此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息 CES 2006 展覽上以 LED 為光源的液晶投影機首度被發表從 2006 年初開始，以發光二極體為光源的液晶投影機相繼被發表，用以來代替傳統超高壓水銀燈的R（紅色）、G（綠色）、B（藍色）三色發光二極體（LED）作為光源後，業者便積極的設計出小型且以電池驅動前投式液晶投影機，而且使用發光二極體作為光源的背投式液晶投影機，色彩表現範圍也超出100的 NTSC 比。2006 年 1 月，在美國拉斯維加斯召開的CES 2006上，利用 LED 為光源的液晶投影機首度公開，因
