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發光二極體:發光二極體的封裝技術

98/03/04 瀏覽次數 31999
為何需要封裝技術

目前生活上已經可以看到各式各樣發光二極體(LED)商品的應用,例如交通號誌、機車尾燈、汽車頭燈、路燈、電腦指示燈、手電筒、LED 背光源等。這些商品除了必要的 LED 晶片製程外,都必須經過一道非常重要的程序--封裝。

LED 封裝功能在於提供 LED 晶片電、光、熱上的必要支援。例如半導體元件長時間暴露在大氣中,會受到水汽或其他環境中的化學物質影響而老化,造成特性的衰退。選用高透明度的環氧樹酯包覆發光二極體,是一個有效隔絕大氣的方法。另外選用適合的基材可以提供 LED 元件足夠的機械保護,使 LED 的可靠度大幅提升。目前主要用於 LED 的基材,有導線架、金屬基板、低溫共燒陶瓷基板等,其中以低溫共燒陶瓷基板的熱膨脹係數與半導體最為接近,可提供一個可靠度高的 LED 基材。

除此之外,為了達到更亮更省電的目標,LED 封裝還需要有良好的散熱性及光萃取效率,尤其散熱問題更是值得重視。若未能及時使熱散出,累積在元件中的熱對元件的特性、壽命及可靠度都會產生不良的影響。光學設計也是封裝程序中重要的一環,如何更有效地把光導出,發光角度及方向都是設計上的重點。相較於高亮度 LED 封裝,白光 LED 的封裝技術更是複雜,除了熱的問題以外,還要考量色溫、演色係數、螢光粉等問題。

LED 封裝技術課題

高透明度光學 LED 晶片封裝鏡
 目前用在 LED 晶片的光學鏡片封裝,以使用環氧樹酯系列材料為主。但因為環氧樹酯是高分子材料,主要的缺點是易老化、不耐熱及光的特性不佳,又會因為吸收可見光(紫外光為甚)產生高分子鏈段交聯的現象,導致透明度下降。目前 LED 產業積極尋求一種可以取代環氧樹酯類的材料,但不會有透明度因老化而下降的問題,例如使用氧化矽系列的材料。

LED 晶片的固晶材料 固晶材料的選擇也是一個 LED 可靠度上重要的關鍵。過去 LED 晶片大多以銀膠把 LED 晶片鍵結在基材上,但因為 LED 正朝向大功率、高照明亮度的方向前進,銀膠的散熱性及鍵結強度已無法應付高功率 LED 的需求,所以目前封裝業者已慢慢朝向使用金屬的軟銲材料做 LED 晶片的鍵結。其中以金錫共晶合金的成分最受到注意,因為可以用無助銲劑的方式進行,避免使用助銲劑而引發的後續清洗問題。

散熱

近幾年來,LED 產業在封裝技術上的發展重點,在於密不可分的低熱阻抗及高可靠度。為了因應 LED 在照明領域的特性需求,高亮度 LED 晶片製備技術的開發,積極地朝向高 lm(流明)/W(瓦)的發光效率努力。此外,也嘗試以高功率的輸入來提升 LED 的亮度,在提高輸入功率的同時,伴隨著產生更多的熱。因此,若無法有效提升散熱性,就算 LED 晶片的效能再好,也會因元件產生的高溫使可靠度大幅降低。

目前 LED 的發光效率大約是 15 ~ 20%,也就是輸入的電能有 15 ~ 20%會轉換成光能釋出,其餘的 80 ~ 85% 則是轉變成熱能,愈高功率的 LED 產生的熱能也愈多。若是封裝結構無法有效地使熱排出,便會不斷地累積在元件內部,使 LED 操作時的接點溫度上升,導致發光效率降低及發光波長變短,壽命也會隨之減少。

LED 接點溫度與封裝熱阻的關係如下:接點溫度 = 封裝熱阻 × 消耗功率 + 封裝內部溫度。若封裝的熱阻抗太高,接點溫度也會提升到很高。有資料顯示,接點溫度每上升約攝氏 10 度,元件壽命就會減少約二分之一。若以平均壽命 3 到 5 萬小時計算,就足足減少了 1 萬 5 千到 2 萬 5 千小時的使用時間,經濟效益大幅下降。

此外,環氧樹酯在長時間高溫下會有黃變的現象,造成穿透率下降,使整體的光輸出量減少。現階段有改以耐高溫的光學矽膠取代環氧樹酯的方法,但是光學矽膠的價格是環氧樹酯的 100 倍左右,使得 LED 生產成本增加不少。由此可知,在封裝設計上從解決散熱問題做起才是根本之道。

LED 封裝光學考量

白光是由多種不同波長的光組合而成的混合光,可被人眼辨別為白光的光源至少包含兩種以上波長的光,例如由紅、藍、綠光的三原色組成的白光,或人眼同時受到藍光及黃光的刺激,也會感受為白光。白光 LED 也是依據這原理來產生白光,目前白光 LED 技術大致可分為多晶片混光及單晶片搭配螢光粉混光兩種。

多晶片混光技術是分別把紅、藍、綠三晶片或藍光、黃光雙晶片置於同一封裝體內部,經由調整各晶片的電流大小,改變各晶片發出的光通量來控制混光比例,以達到混成白光的目標。其中以紅、藍、綠多晶片混光技術呈現的色彩飽合度最佳,不過還須克服衰退程度不一、散熱封裝等問題。若是其中一個晶片提早失效,就無法得到白光的光源。

單晶片搭配螢光粉混光部分,除了日亞化學推出的藍光 LED 加上釔鋁石榴石螢光粉,簡稱 YAG(yttrium aluminum garnet, Y3Al5O12:Ce),還有 OSRAM 的藍光 LED 加上 TAG(terbium aluminum garnet)螢光粉、紫外光加紅、藍、綠三色螢光粉等混光技術。相較於多晶片,這類封裝雖然發光效率較低,不過是目前各種技術中較容易的,在成本、壽命、亮度、可靠度等方面都具有相當優勢。因此許多 LED 業者都希望透過交叉合作的方式,來達到提升效能的目標。

目前所有利用螢光粉達到產生白光 LED 的技術,最主要的差異在於選用的螢光粉不同,其中轉換效率最好的依然是日亞化學提出的,利用 YAG 螢光粉搭配藍光 LED 產生白光的專利。

YAG 螢光粉之所以受到重視有兩個理由,第一是 YAG 螢光粉受到激發時,會產生波長 550 ~ 560 nm的光,加上藍光 LED 發出 450 ~ 470 nm的光後,在色彩學的光混色原理中,藍光與黃光混合後會產生白光。而且 YAG 螢光粉發光光譜相當廣,也增加了白光元件對藍光晶片波長誤差的相容性,因此提高白光 LED 在封裝製程中的良率,進而降低成本。第二是因為 YAG 螢光粉的轉換效率是目前各種螢光粉中最好的。

LED 封裝結構

以導線架封裝結構為例,大致需要經過幾道程序:固晶、打線鍵合及模造。

固晶是把 LED 晶片固定在導線架上。低功率 LED 的封裝接合材料可使用熱導係數約 3 W/mK 的銀膠,而 1 W 以上的高功率 LED 封裝,則可選用熱導係數較高的錫膏、金錫焊料等,以降低整體封裝的熱阻抗。

打線鍵合是利用熱壓合、超音波楔合或以超音波輔助的熱壓合方式,把直徑約  10 μm 的金線或鋁線的兩端分別連結到晶片及導線架或基板上。其中以超音波輔助的熱壓合方式,只須升溫至約攝氏 150 度,單一接點的接合時間也只要 20 ms,是 LED 封裝業者最常使用的方法。

模造是把完成固晶及打線鍵合的導線架,填充環氧樹酯保護晶片,接著在約攝氏 150 度的條件下使環氧樹酯進行交聯反應,增加環氧樹酯的硬度,並降低吸濕性。

另外一種 LED 封裝結構稱為覆晶式 LED。傳統 LED 結構的封裝方式,晶片散熱往往被低熱傳係數的藍寶石基板所局限。藍寶石基板的熱傳係數只有 40 W/mK,而且藍寶石基板的厚度通常在數十微米左右,更增加整體熱傳的困難度,因此傳統的晶片鍵合結構並不是一個效率好的散熱設計。

Lumileds 公司發現把封裝的熱阻抗由 300 K/W 降至 15 K/W,就可以輸入比原來大 20 倍的電流,產生 55 lm/W 的紅光及 10 lm/W 的藍光。尤其目前陣列組裝密度在 1 cm2 面積中已高達 800 個 LED,如何有效地把如此高密度的熱功率傳導至外界環境,亟待發展一個更好的 LED 晶片散熱系統!

目前覆晶式的晶片封裝很吸引人們的目光,因為它能提供一個較好的散熱系統,主動發光層產生的熱可由下方大面積的銲料凸塊向外傳導,進而提高 LED 發光的效率。

以覆晶式封裝的 Lumileds 高密度 LED 的陣列組裝為例, LED 由覆晶的方式組裝在一個矽載板上之後,再把整個矽載板以銀膠貼在鍍銀的銅塊上,LED 產生的熱可由覆晶結構中的銲料凸塊,再經由矽載板導入銅塊材,藉由銅良好的散熱係數,快速地把熱傳導出去,其中銅與矽載板的散熱係數分別是 400 W/mK 及 150 W/mK。在整個覆晶結構中,矽載板與銅塊間的接合材料可以使用軟銲金屬,例如導熱係數較佳的銦金屬,導熱係數是 80 W/mK,把銦金屬做為固晶材料與銅塊的連結,整體封裝的散熱效果會更好。

要解決 LED 散熱的問題,當然最根本的方法就是從 LED 晶片本身著手,提升 LED 晶片的發光效率,以減少熱能的產生,使 LED 點亮時的接點溫度下降。另一方面也可由封裝結構的設計著手,選用高散熱係數的封裝材料,以降低整體結構的熱阻抗,也可以有效地降低接點溫度,使 LED 元件維持預期的高可靠度、長壽命等特性。

目前全球都期望把 LED 運用到日常生活中,以落實節能減碳的環保概念。但在實際應用上卻受到散熱因素的限制,LED 晶片產生的熱會嚴重影響到元件光性、可靠度、壽命等特性。尤其在高功率、高亮度 LED 照明上的應用更是明顯,如室內照明、車頭燈、路燈等,在高功率的能量注入時,產生的熱能也相當可觀。因此都需要外加一個龐大的散熱系統,才能夠維持 LED 元件的可靠度,但這也使得了成本大幅提升,降低了 LED 在市場上的競爭力。

相信在各界的努力下,LED 相關技術在未來幾年內會有大幅度的進展。效率提升及成本降低,加上高可靠度及數萬小時壽命的優點,在不久的將來,LED 必然可以取代現有的日光燈管及白熾燈泡,做為照明的主流。
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