关于高功率LED封裝二三事

    led照明应用的快速兴起，预期将扩大高功率LED的产品需求，为确保高功率LED能符合市场要求，封装业者试图借由改善封装材料、晶粒配置等方面，以真正达成高性价比与延长使用寿命的目的。
 
　　产业界时常发表的高功率发光二极管(LED)光源，多为数十瓦甚至上百瓦的LED封装技术，以光系统应用端的角度观之，实无太大意义，反而是如何能将数十至上百瓦的热消除才是关键。而要达成此一目标，须能有效降低单一LED封装之热阻值(Rjc)。  

　　LED封装所驱动的功率大小受限于封装体热阻与所搭配之散热模块(Rca)，两者决定LED的系统热阻和稳态所能忍受的最大功率值。为降低封装热阻，业者试图加大封装体内LED晶粒分布距离，然LED晶粒分布面积不宜太大，过大的发光面积会使后续光学难以处理，也限制该产品的应用。不可一味将更多的LED晶粒封装于单一体内，以求达到高功率封装目的，因为仍有诸多因素待考虑，尤其是对于应用面。 
 
　　多晶粒封装材料不断发展
 
　　随着LED封装功率提升，多晶粒封装(Multi-chip Package)成为趋势，传统高功率LED封装多采用塑料射出之预成型导线架(Pre-mold Lead Frame)方式(图1a)，封装载体(Carrier)又称为芯片承载(Die Pad)，为一连续的金属块，已无法满足多晶粒串接之电性需求，电性串并联方式直接影响LED晶粒电测分档(Bin)的精密程度、可靠度寿命以及封装体在应用时所需要的驱动电路设计。于是众多LED封装型式陆续被提出，图2举出几个代表性高功率LED封装典型例子。 

 
图1　常见高功率LED封装结构示意
 

图2　典型具代表性之高功率LED封装

　　广为业界使用的高功率LED封装结构，主要的差异大致可从封装载体之材料选用做区分，实现方式不外乎采用高导热陶瓷基材或直接在金属基材上做植晶封装(图1b)，成为板上芯片(Chip On Board, COB)的封装形式。但因为高导热陶瓷基材价格居高不下，另有经济的选择，为使用低导热积层陶瓷配合热导通孔(Thermal Via)的设计(图1c)，热导通孔内添入烧结金属(如银材)作为导热路径；此外，亦另有先进的作法，是使用半导体制程硅材为载体(图1d)达到热电分离，同时兼具高功率密度和低热阻(＜0.5℃/W)特性，可望将高功率LED封装导入另一项革命。随着LED功率和功率密度升级，将加速LED在各应用领域逐次取代传统光源。

　一级光学镜片封装材料选用举足轻重  

　　耐高温且稳定的封合胶体(Encapsulation)已被广泛采用，不同硅胶基材间的取舍，除了加工性外，主要在于折射率的考虑，其将影响封装体的光学特性，此包括光分配(Beam Distribution)与出光效率等。为维持稳定一致的光学质量，赋予一级光学镜片(Primary Lens)有其必要性，好的镜片设计可提供更佳的光输出质量，如更均匀的光强度、色坐标分布等，对于LED的有效出光有绝对的影响。 
 
　　一级光学镜片的设计，各家自有其道，一般在第一阶出光多采用大出光角(≧120o)方式，再透过后续的二阶光学处理调整达所需要的光形，大出光角的另一好处，是有利于将光萃取出来，呈现更好的发光效率值。  

　　一级光学材料的选用是很大的关键点，在过去，受限于可光学成型材料的瓶颈，多数以光学聚碳酸脂(PC)或光学压克力(PMMA)材质为主(低阶产品甚或有使用氧树脂的例子)，现阶段因硅胶材性质已多有突破，陆续被使用在一级光学镜片，然因胶材乃属黏弹性非坚硬结构，在光学精准性上会受到交链反应收缩程度差异影响，同时因硅胶容易吸收水气，在高潮湿环境下，硅胶镜片可能因吸湿膨胀而使原先设计的配光发生变化，硅胶材应用在高功率LED封装，适处于推广阶段。至于在光学镜片材料选用上，还有另一种可行方式，对于实现更精致光学质量与高度可靠度需求者，可选用稳定的玻璃镜片，满足长寿命和容许恶劣使用环境下严格考验。  

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