关于LED晶粒封装的解决方案

关于LED晶粒封装的解决方案

       LED封装推向高功率，首要面对热的挑战。热效应始终为各种材料特性退化的一大加速因子，如何掌控结点温度，成为决定LED封装功率值的主要因素，现阶段固态照明产生白光的主流机制，仍以可见蓝光（450～470奈米）透过荧光材（Phosphor）激发黄色光谱混合，而产生人类视觉上的白光。

       市面上可见之蓝光晶粒技术已达一定水平，晶粒本身对热冲击的忍受程度相当大（温度每提升10℃、发光效率衰退小于1%），然而热对于所有类型荧光材的效应则相对敏感，荧光材之光转换效率随温度上升而降低（图3），同时影响荧光材料寿命，特别当荧光材料温度超过70℃以上时会急速衰退，此意味着LED结点温度（Junction Temperature， Tj）须有效控制在70℃以下，始能有效确保LED可用寿命（一般寿命以L70计算，LED衰退至原来亮度70%之时间），作为寿命判断依据，而此要求一般皆在20，000小时以上。因此，当讨论LED最高功率以及效能时，须考虑其于正常操作状态下，达热稳定时之结果去推算始具意义。LED封装体自身之热阻，决定该封装所能承受的最大功率，如何有效降低Rjc值，是为高功率LED封装须面对的一大挑战。

    图3　荧光材光转换效率随温度之变化

       成本、电性、可靠度为封装体晶粒配置三大评估标准

       LED晶粒的工作电流密度有其上限（以40×40密尔（mil）芯片面积为例，依芯片等级，驱动电流从350～1，000毫安皆有，然而提高LED功率最直接的作法，是提高LED封装内的总晶粒面积，作法不外乎增加晶粒大小，或是提高晶粒数目（采用多晶封装方式），各有其优缺点，可从晶粒成本、电性考虑、以及可靠度寿命等角度予以评估：

       成本考虑

       以大尺寸80密尔晶粒为例，其面积相当于四个40密尔晶粒，然对于晶粒价格而言，80密尔的晶粒成本，因良率因素，必定高于四个40密尔的成本。

       电性连接方式

       从电性的角度来看，80密尔晶粒相当于将四个40密尔晶粒以并联形式连接（图4a），而若使用四个40密尔晶粒，则可以选择透过打线（Wire Bonding）方法以串联形式连接（图4b），串联与并联方式的差异，可反应在性能表现，了解每颗LED晶粒的顺相电压（Forward Voltage， Vf）皆有差异，换句话说，也就是各晶粒单元的内阻值不一，四颗晶粒并联驱动，必有电流分布不均问题，电流分配较大的晶粒，光转换效率大同时也加速晶粒老化，电流分配不足的晶粒，则无法释放出足够的光能，结果使整体的发光效率不如预期。

    图4　于相同的晶粒面积条件下，不同晶粒大小相对应之电性连接示意

       可靠度寿命

       大晶粒因有电流分布不均现象，电流密度大的区域加速老化，LED老化的结果是阻值降低，导致该区域电流密度（Current Density）愈来愈大，也形成所谓的热点（Hot Spot），恶性循环的结果会加速LED衰退。因此，LED在相同电流密度操作下，大晶粒的可靠度寿命较小晶粒短。