在眾多環(huán)保光源應用方案中，LED是相對其他光源方案更為節能、便于組裝設計的一種光源技術(shù)，其中，在照明光源應用中，高功率白光LED使用則為最頻繁的發(fā)光元器件，但白光LED雖在發(fā)光效率、單顆功率各方面表現均有研發(fā)進(jìn)展，實(shí)際上白光LED仍存在發(fā)光均勻性、封裝材料壽命等問(wèn)題，尤其在芯片散熱的應用限制，則為開(kāi)發(fā)LED光源應用首要必須改善的問(wèn)題...

高功率白光LED應用于日常照明用途，其實(shí)在環(huán)保光源日益受到重視后，已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)環(huán)保光源的首要選擇。但實(shí)際上白光LED仍有許多技術(shù)上的瓶頸尚待克服，目前已有相關(guān)改善方案，用以強化白光LED在發(fā)光均勻性、封裝材料壽命、散熱強化等各方面設計瓶頸，進(jìn)行重點(diǎn)功能與效能之改善。

環(huán)保光源需求增加 高功率白光LED應用出線(xiàn)

LED光源受到青睞的主因，不外乎產(chǎn)品壽命長(cháng)、光-電轉換效率高、材料特性可在任意平面進(jìn)行嵌裝等特性。但在發(fā)展日常照明光源方面，由于需達到實(shí)用的“照明”需求，原以指示用途的LED就無(wú)法直接對應照明應用，必須從芯片、封裝、載板、制作技術(shù)與外部電路各方面進(jìn)行強化，才能達到照明用途所需的高功率、高亮度照明效用。

就市場(chǎng)需求層面觀(guān)察，針對照明應用市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的白光LED，可以說(shuō)是未來(lái)用量較高的產(chǎn)品項目，但為達到使用效用，白光LED必須針對照明應用進(jìn)行重點(diǎn)功能改善。其一是針對LED芯片進(jìn)行強化，例如，增加其光-電轉換效率，或是加大芯片面積，讓單個(gè)LED的發(fā)光量(光通量)達到其設計極限。其二，屬于較折衷的設計方案，若在持續加大單片LED芯片面積較困難的前提下，改用多片LED芯片封裝在同一個(gè)光源模組，也是可以達到接近前述方法的實(shí)用技術(shù)方案。

以多芯片封裝 滿(mǎn)足低成本、高亮度設計要求

就產(chǎn)業(yè)實(shí)務(wù)需求檢視，礙于量產(chǎn)彈性、設計難度與控制產(chǎn)品良率／成本問(wèn)題，LED芯片持續加大會(huì )碰到成本與良率的設計瓶頸。一昧的加大芯片面積可能會(huì )碰到的設計困難，并非技術(shù)上與生產(chǎn)技術(shù)辦不到，而是在成本與效益考量上，大面積之LED芯片成本較高，而且對于實(shí)際制造需求的變更設計彈性較低。

反而是利用多片芯片的整合封裝方式，讓多片LED小芯片在載板上的等距排列，利用打線(xiàn)連接各芯片、搭配光學(xué)封裝材料的整體封裝，形成一光源模組產(chǎn)品，而多片封裝可以在進(jìn)行芯片測試后，利用二次加工整合成一個(gè)等效大芯片的光源模組，但卻在制作彈性上較單片設計LED光源用元件要更具彈性。

同時(shí)，多片之LED芯片模組解決方案，其生產(chǎn)成本也可因為芯片成本而大幅降低，等于在獲得單片式設計方案同等光通量下，擁有成本更低的開(kāi)發(fā)選項。

[member][page] 多芯片整合光源模組 仍需考量成本效益最大化

另一個(gè)發(fā)展方向，是將LED芯片面積持續增大，透過(guò)大面積獲得高亮度、高光通量輸出效果。但過(guò)大的LED芯片面積也會(huì )出現不如設計預期之問(wèn)題，常見(jiàn)的改進(jìn)方案為修改復晶的結構，在芯片表面進(jìn)行制作改善；但相關(guān)改善方案也容易影響芯片本身的散熱效率，尤其在光源應用的LED模組，大多要求在高功率下驅動(dòng)以獲得更高的光通量，這會(huì )造成芯片進(jìn)行發(fā)光過(guò)程中芯片接面所匯集的高熱不容易消散，影響模組產(chǎn)品的應用彈性與主／被動(dòng)散熱設計方案。

一般設計方案中，據分析采行7mm2的芯片尺寸，其發(fā)光效率為最佳，但7mm2大型芯片在良率與光表現控制較不易，成本也相對較高；反而使用多片式芯片，如4片或8片小功率芯片，進(jìn)行二次加工于載板搭配封裝材料形成一LED光源模組，是較能快速開(kāi)發(fā)所需亮度、功率表現之LED光源模組產(chǎn)品的設計方案。

例如Philips、OSRAM、CREE等光源產(chǎn)品制造商，就推出整合4、8片或更多小型LED芯片封裝之LED光源模組產(chǎn)品。但這類(lèi)利用多片LED芯片架構的高亮度元件方案也引起了一些設計問(wèn)題，例如：多顆LED芯片組合封裝即必須搭配內置絕緣材料，用以避免各別LED芯片短路現象；這樣的制程相對于單片式設計多了許多程序，因此即使能較單片式方案節省成本，也會(huì )因額外絕緣材料制程而縮小了兩種方案的成本差距。

應用芯片表面制程改善 也可強化LED光輸出量

除了增加芯片面積或數量是最直接的方法外，也有另一種針對芯片本身材料特性的發(fā)光效能改善。例如，可在LED藍寶石基板上制作不平坦的表面結構，利用此一凹凸不規則之設計表面強化LED光輸出量，即為在芯片表面建立Texture表面結晶架構。

OSRAM即有利用此方案開(kāi)發(fā)Thin GaN高亮度產(chǎn)品，于InGaN層先行形成金屬膜材質(zhì)、再進(jìn)行剝離制程，使剝離后的表面可間接獲得更高的光輸出量！OSRAM號稱(chēng)此技術(shù)可以讓相同的芯片獲得75%光取出效率。

另一方面，日本OMRON的開(kāi)發(fā)思維就相當不同，一樣是致力榨出芯片的光取出效率，OMRON即嘗試利用平面光源技術(shù)，搭配LENS光學(xué)系統為芯片光源進(jìn)行反射、引導與控制，針對傳統砲彈型封裝結構的LED產(chǎn)品常見(jiàn)的光損失問(wèn)題，進(jìn)一步改善其設計結構，利用雙層反射效果進(jìn)而控制與強化LED的光取出量，但這種封裝技術(shù)相對更為復雜、成本高，因此大多僅用于LCD TV背光模組設計。

LED照明應用仍須改善元件光衰與壽命問(wèn)題

如果期待LED光源導入日常照明應用，其應用需克服的問(wèn)題就會(huì )更多！因為日常照明光源會(huì )有長(cháng)時(shí)間使用之情境，往往一開(kāi)啟就連續用上數個(gè)小時(shí)、甚至數十小時(shí)，那長(cháng)時(shí)間開(kāi)啟的LED將會(huì )因為元件的高熱造成芯片的發(fā)光衰減、壽命降低現象，元件必須針對熱處理提出更好的方案，以便于減緩光衰問(wèn)題過(guò)早發(fā)生，影響產(chǎn)品使用體驗。

LED光源導入日常應用的另一大問(wèn)題是，如傳統使用的螢光燈具，使用超過(guò)數十小時(shí)均可維持相同的發(fā)光效率，但LED就不同了。因為L(cháng)ED發(fā)光芯片會(huì )因為元件高熱而導致其發(fā)光效率遞減，且此一問(wèn)題不管在高功率或低功率LED皆然，只是低功率LED多僅用于指示性用途，對使用者來(lái)說(shuō)影響相當??；但若LED作為光源使用，其光輸出遞減問(wèn)題會(huì )在為提高亮度而加強單顆元件的驅動(dòng)功率下越形加劇，一般會(huì )在使用過(guò)幾小時(shí)后出現亮度下滑，必須進(jìn)行散熱設計改善才能達到光源應用需求。

[member] [page]LED封裝材料需因應高溫、短波長(cháng)光線(xiàn)進(jìn)行改善

在光源設計方案中，往往會(huì )利用增加驅動(dòng)電流來(lái)?yè)Q取LED芯片更高的光輸出量，但這會(huì )讓芯片表面在發(fā)光過(guò)程產(chǎn)生的熱度持續增高，而芯片的高溫考驗封裝材料的耐用度，連續運行高溫的狀態(tài)下會(huì )致使原具備高熱耐用度的封裝材料出現劣化，且材料劣化或質(zhì)變也會(huì )進(jìn)一步造成透光度下滑，因此在開(kāi)發(fā)LED光源模組時(shí)，亦必須針對封裝材料考量改用高抗熱材質(zhì)。

增加LED光源模組元件散熱方法相當多，可以從芯片、封裝材料、模組之導熱結構、PCB載板設計等進(jìn)行重點(diǎn)改善。例如，芯片到封裝材料之間，若能強化散熱傳導速度，快速將核心熱源透過(guò)封裝材料表面逸散也是一種方法?；蚴怯尚酒c載板間的接觸，直接將芯片核心高熱透過(guò)材料的直接傳導熱源至載板逸散，進(jìn)行LED芯片高熱的重點(diǎn)改善。此外，PCB采行金屬材料搭配與LED芯片緊貼組裝設計，也可因為減少熱傳導的熱阻，達到快速散逸發(fā)光元件核心高熱的設計目標。

另在封裝材料方面，以往LED元件多數采環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行封裝，其實(shí)環(huán)氧樹(shù)脂本身的耐熱性并不高，往往LED芯片還在使用壽命未結束前，環(huán)氧樹(shù)脂就已經(jīng)因為長(cháng)時(shí)間高熱運行而出現劣化、變質(zhì)的變色現象，這種狀況在照明應用的LED模組設計中，會(huì )因為芯片高功率驅動(dòng)而使封裝材料劣化的速度加快，甚至影響元件的安全性。

不只是高熱問(wèn)題，環(huán)氧樹(shù)脂這類(lèi)塑料材質(zhì)，對于光的敏感度較高，尤其是短波長(cháng)的光會(huì )讓環(huán)氧樹(shù)脂材料出現破壞現象，而高功率的LED光源模組，其短波長(cháng)光線(xiàn)會(huì )更多，對材料惡化速度也會(huì )有加劇現象。

針對LED光源應用設計方案，多數業(yè)者大多傾向放棄環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料，改用更耐高溫、抗短波長(cháng)光線(xiàn)的封裝材料，例如矽樹(shù)脂即具備較環(huán)氧樹(shù)脂更高的抗熱性，且在材料特性方面，矽樹(shù)脂可達到處于150~180°C環(huán)境下仍不會(huì )變色的材料優(yōu)勢。

此外，矽樹(shù)脂亦可分散藍色光與紫外線(xiàn)，矽樹(shù)脂可以抑制封裝材料因高熱或短波長(cháng)光線(xiàn)的材料劣化問(wèn)題，減緩封裝材料因為變質(zhì)而導致透光率下滑問(wèn)題。而就LED光源模組來(lái)說(shuō)，矽樹(shù)脂也有延長(cháng)LED元件使用壽命優(yōu)點(diǎn)，因為矽樹(shù)脂本身抗高熱與抗短波長(cháng)光線(xiàn)優(yōu)點(diǎn)，在封裝材料可抵御LED長(cháng)時(shí)間使用產(chǎn)生的持續高熱與光線(xiàn)照射，材料的壽命相對長(cháng)許多，也可讓LED元件有超過(guò)4萬(wàn)小時(shí)的使用壽命。