無封裝LED燈具搭配二次光學設計

新穎的無封裝LED具備更好的散熱條件，同時整合磊晶、晶粒與封裝制程，可更便利地搭配二次光學設計照明燈具…

　　LED光源應用將繼LCD背光源應用需求高峰后，逐步轉(zhuǎn)向至LED一般照明應用上。但與LCD背光模組設計不同的是，LCD背光模組較不用考量光型與照明應用條件，以單位模組的發(fā)光效率要求為主；但LED照明應用除亮度要求外，必須額外考量光型、散熱、是否利于二次光學設計，與配合燈具設計構型要求等，實際上對于LED光源元件的要求更高。

　　早期封裝技術限制多散熱問題影響高亮度設計發(fā)展

　　早期LED光源元件，封裝材料主要應用炮彈型封裝體，在高發(fā)光效率的藍光LED初期使用相當常見，而在智慧手機、行動電話產(chǎn)品薄型化設計需求推進下，采用表面黏著(surface-mountdevices；SMD)型態(tài)的LED光源需求漸增，而采用表面黏著技術設計的LED光源元件，可利用卷帶式帶裝材料進料加速生產(chǎn)加工效能，透過自動化生產(chǎn)增加加工效率外，也帶來LED封裝技術的新應用市場，加上后繼磊晶結構、封裝技術雙雙進步相互加持，LED光源材料發(fā)光效率漸能超越傳統(tǒng)燈具表現(xiàn)。

　　以照明應用需求觀察，照明燈具對于發(fā)光效能的要求越來越高，而LED光源目前左右光輸出效能的技術關鍵，發(fā)光效率主要由磊晶、晶粒與封裝技術方案左右表現(xiàn)。目前磊晶的單位發(fā)光效率已經(jīng)發(fā)展趨近極限，發(fā)光效率可再跳躍成長的空間相對有限，而持續(xù)加大晶粒面積、改善封裝技術，是相對可以大幅增加單位元件發(fā)光效能的可行方案。但若要能再提升元件的性價比，晶粒面積增大化較無成本優(yōu)化空間，反而是封裝技術選擇將直接影響終端材料元件的成本，也就是說，封裝技術將成為照明用LED的成本關鍵。

　　晶片級封裝導入LED體積小、可靠度高

　　晶片級封裝(ChipScalePackage；CSP)為2013年LED業(yè)界最熱門的封裝技術方案，其實CSP在半導體業(yè)界并不是新技術，只是在LED光源元件應用上尚屬新穎的先進技術。在傳統(tǒng)半導體晶片級封裝應用目的，在于縮小封裝處理后的元件最終體積，同時以改善散熱、提升晶片本身的應用可靠度與穩(wěn)定性為主。而在LED發(fā)光元件的晶片級封裝主要定義為，封裝體與LED晶片接近或是封裝體體積不大于晶片的20%為主，而經(jīng)晶片級封裝的LED本身也必須為功能完整的封裝元件。

　　晶片級封裝主要是改善邏輯晶片接腳持續(xù)增加、元件散熱性能提升與晶片微縮目的，透過晶片級封裝整合效益，可以讓晶片的元器件寄生現(xiàn)象減少，同時可以增加Level2封裝的元件整合度，而晶片級封裝在LED光源器件的應用需求，也可達到顯著程度的效益。

　　典型晶片級封裝是不需要額外的次級基板、導線架等，而是可將晶片直接貼合在載板之上，晶片級封裝為將LED二極體的P/N電極制作于晶片底部，并可利用表面黏著自動化方式進行元件組裝，若比較必須打線進行元件制作的制作流程，晶片級封裝可以對組裝與測試流程相對提升，同時達到降低加工復雜度與成本的雙重目的。

　　LED采晶片級封裝方案，元件可獲得更佳的散熱表現(xiàn)、高流明輸出、高封裝密度、更具彈性、簡化基板等優(yōu)點，同時少了打線制程也可讓終端元件的可靠度提升?！　?strong style="word-break: break-all;">無封裝LED方案熱門高發(fā)光角度、發(fā)光效率

　　同樣也是追求元件的高亮度表現(xiàn)、低成本要求與更便利的生產(chǎn)條件目的，推進了新穎的無封裝LED(EmbeddedLEDChip)的使用需求。以無封裝LED與晶片級封裝LED元件特性進行比較，無封裝LED對于元件散熱效果表現(xiàn)更好，而無封裝LED制作技術，另整合磊晶、晶粒與封裝制程，元件亦可搭配二次光學設計整合，也能讓終端成品具備更高亮度、更大發(fā)光角與更小體積特點，同時可以達到壓縮制作成本目的，發(fā)光元件可提供燈具業(yè)者多元化與更具彈性的設計空間。

　　傳統(tǒng)封裝架構中，為由反射杯構成一個內(nèi)部腔體，再搭配晶片打線制程處理驅(qū)動電力串接，雖然制程簡單，但也造成終端元件的散熱能力因此受限。在新穎的LCD背光源與照明燈具設計要求，LED光源元件就必須在減小發(fā)光面積要求下同時增加單位元件的驅(qū)動瓦數(shù)，散熱關鍵即成為這類應用需求的技術瓶頸。

　　無封裝LED可以將元件熱阻較傳統(tǒng)封裝下降約10倍，而無封裝LED不須設置反射杯腔體，也可因此省下反射杯制成的成本，優(yōu)化整體元件的性價比表現(xiàn)，同時也是無封裝LED技術優(yōu)勢，無封裝LED搭配特殊的螢光膠膜進行貼合，也能讓LED的發(fā)光角度進一步達到160度表現(xiàn)，在元件的發(fā)光效能、機構特性與散熱優(yōu)勢均能有效提升。

　　無封裝LED技術具極小發(fā)光面積、較大發(fā)光角度，相較于傳統(tǒng)封裝方案的光源元件表現(xiàn)，無封裝LED技術的光型表現(xiàn)更接近點狀光源，這種材料特性使得無封裝LED技術更適合搭配進行二次光學處理設計，而較小的發(fā)光面積也表示元件的體積相對更小，亦可搭配更薄化的光學透鏡制作成LED光源模組，尤其能應用于部分機構空間有限的燈具產(chǎn)品使用需求，例如，LCD直下式背光源或是平板燈具產(chǎn)品等。

　　若與晶片級封裝進行比較，無封裝LED技術在制程中導入螢光膠膜的貼合制程，這在LED光源照明應用可更容易控制發(fā)光表現(xiàn)特性，使燈具在制作流程中還要搭配發(fā)光色澤檢測、配對程序，大幅簡化生產(chǎn)。

　　改善熱傳導架構無封裝LED熱阻表現(xiàn)佳

　　在LED傳統(tǒng)封裝中，晶片必須透過藍寶石基板和絕緣膠處理晶片熱度導熱，相對的在無封裝LED技術中，為利用覆晶(Flip-chip)的晶片結構和金屬基板共晶制作技術概念，在無封裝LED元件的封裝體中可因為覆晶與金屬基板共晶的設計架構，使得元件本身的熱阻表現(xiàn)更低，也因此無封裝LED技術在相同驅(qū)動瓦數(shù)下，晶片的發(fā)光區(qū)核心溫度可有效降低，同時也能減少晶片溫度持續(xù)高溫可能造成元件失效或是壽命縮短問題。

　　但無封裝LED也并非是完美的制程技術，因為要達到無封裝LED設計目的，必須同時具備磊晶、晶粒、封裝制程與元件成品的表面黏著技術整合，整合的技術難度相當高，尤其在關鍵的覆晶結構設計中，無封裝LED要維持元件高可靠度表現(xiàn)其實難度相當高，主要是要尋求高反射率、高導熱與附著良好的二極體材料，同時這些材料須具備高穩(wěn)定性特質(zhì)，也必須能耐受元件運作時的高溫、高壓、高電流的環(huán)境條件。

　　此外，無封裝LED本身即無外層封裝體進行保護，照明設備若需設置于高溫、高濕度惡劣環(huán)境中，也必須針對元件進行保護層設計，以增加光源器件的使用壽命。

　　另外，在無封裝LED制程中，在封裝制程工作段為使用螢光膠膜替代傳統(tǒng)的封裝材料，而螢光膠膜內(nèi)部也有置入螢光粉，用以搭配LED光源與螢光粉產(chǎn)生白光，而螢光粉的選擇即會左右無封裝LED元件在照明應用的可靠度、發(fā)光效率、高溫表現(xiàn)狀態(tài)。

　　螢光膠膜畢竟與傳統(tǒng)封裝材料不同，在制程中需處理貼合與測試問題，不只是生產(chǎn)設備差異，相關的制程設備也需要進行優(yōu)化與改善，都會增加初期投產(chǎn)無封裝LED元件的復雜度。

　　為封裝LED燈具雖然可以改善LED燈具的散熱問題，但是也不是完美無瑕，無封裝需要多想整合技術，難度相當高，難度高必然就涉及成本問題，能否主導還要看技術成熟度。