掌握封裝技術(shù) LED照明設(shè)計邁大步

　　自從白光發(fā)光二極管(led)于2000年始達(dá)到每瓦15～20流明的水平后，各國就開始積極對LED投入研發(fā)制造，而相關(guān)市場營銷、技術(shù)評鑒機(jī)構(gòu)及學(xué)界，則積極對此極具未來性的產(chǎn)品進(jìn)行譯碼，一探其奧秘及商業(yè)價值，并陸續(xù)提出負(fù)面疑問或爆炸性的前瞻預(yù)測。

　　但隨著能源短缺、地球暖化、能源材料價格上揚(yáng)等因素深受各國政府重視，更加速LED的市場熱度，其二為隨著手機(jī)白色背光源于2003年被廣泛應(yīng)用，隨即奠定藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光LED在市場的價值，更因LED應(yīng)用在車尾燈可達(dá)到快速反應(yīng)、減少更換及設(shè)計上增加工業(yè)產(chǎn)品美學(xué)的新思維，漸漸開拓另一個市場應(yīng)用契機(jī)，進(jìn)而激勵相關(guān)供應(yīng)鏈廠商的研發(fā)投入。

　　雖然在2003年時，LED亮度效能未能達(dá)到主照明的需求(表1)，但已逐漸讓世界注意到LED的未來性及對傳統(tǒng)光源的威脅性。

表1　OIDA對于2002～2020年LED效能預(yù)估

　　依照美國光電子工業(yè)協(xié)會(OIDA)的預(yù)測推估，即使LED已達(dá)到10美元/每千流明，但對于整組燈泡或燈具要達(dá)成10美元/每千流明仍相去甚遠(yuǎn)，尤其加入演色性(CRI)的需求，光源的效能和市場價格將為供應(yīng)鏈廠商必須共同解決的一大課題。

　　雖然LED的應(yīng)用極為廣泛，且各個應(yīng)用產(chǎn)業(yè)會面對不同程度的技術(shù)問題，在此僅就照明應(yīng)用方面提出設(shè)計解決方向，以加速LED照明產(chǎn)業(yè)整合開發(fā)的質(zhì)量與速度。

　　LED燈具供貨商主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)規(guī)格

　　要成功開發(fā)一款LED照明產(chǎn)品所須注意的事項相當(dāng)繁瑣而復(fù)雜，三至五人的貿(mào)易公司或許能帶來營業(yè)利潤，但在世界規(guī)范一一制定出爐后，亦拉高進(jìn)入門坎，同時篩選掉體質(zhì)不佳的應(yīng)用小廠，更甚至因為達(dá)到普及化的成本結(jié)構(gòu)，使LED照明逐漸朝專業(yè)技術(shù)和專業(yè)代工制造的領(lǐng)導(dǎo)廠商集中。

　　現(xiàn)今的主要客戶更加致力于探究上游材料、技術(shù)深度及整合能力，以做為評估的標(biāo)準(zhǔn)。對于各階段開發(fā)的技術(shù)深度及廣度，將會是2009～2012年成功邁入LED照明必須完備的工作，因為標(biāo)準(zhǔn)尚未完備，市場的需求決定在供貨商能夠提供的解決方案。

過半效率取決芯片與封裝制程搭配效率

　　有關(guān)芯片開發(fā)，從覆晶(Flip Chip)式芯片如飛利浦，垂直(Verticle)式芯片如Cree、SemiLEDs，正負(fù)極呈階梯平面式焊線，完全平面式焊線如日亞(Nichia)、豐田合成(TG)、晶元光電等；再加上粗糙面(Roughness)結(jié)構(gòu)位置，以及形成的方式不同，皆或多或少影響出光效率、出光角、熱傳導(dǎo)、節(jié)點(diǎn)(Tj)溫度、固晶材料、固晶方式、硬力拉力推力、焊線參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計的專利問題。是否了解芯片跟后續(xù)封裝制程間的關(guān)系，決定LED照明產(chǎn)品一半以上的良率，開發(fā)LED照明應(yīng)用就必須了解細(xì)部差異，以做為設(shè)計上的判斷依據(jù)，目前沒有哪家LED芯片最好，只有最適合的LED芯片才能夠達(dá)到市場需求的優(yōu)化。

　　多重因素影響LED封裝性能

　　至于封裝開發(fā)，在固定單一型式芯片下，眾多影響因子決定封裝完LED組件的性能、可靠度、壽命是否能禁得起市場考驗，其中包括：

　　?承載基板的設(shè)計選擇

　　金屬支架、FR4 COB(Chip on Board)型式、低溫共燒氧化鋁陶瓷、高溫氧化鋁、氧化鋁基板加金屬銀塊或銅塊(Slug)、氮化鋁基板、鋁基板、銅基板、復(fù)合機(jī)板等材料差異，包括上述材料的機(jī)械結(jié)構(gòu)對光、環(huán)境(如濕氣溫度等)結(jié)合力之間的相互作用關(guān)系。

　　?光相關(guān)的制程設(shè)計

　　固晶焊線區(qū)域位置，尺寸的設(shè)計，固晶焊線區(qū)域，固晶方式(硅絕緣膠、銀導(dǎo)熱膠、助焊劑、共金焊接等)，以及周邊材質(zhì)如金、銀、銅、鋁、鈀銀、鈀金、高耐熱塑料(PPA)、硅等，封裝膠體(黏稠度、折射率、耐溫耐候性與相鄰材料接著力等)。

?熒光粉的多重混用、波長搭配、濃度搭配、涂布方式、操作時間及沉淀控制。

?色溫/電壓/亮度/演色性分布

　　均會影響出光效率、壽命、質(zhì)量等，然而不同芯片的選用會使所有影響因子勢必全部或部分重新再做評估。

　　光源組件設(shè)計與選擇不可輕視

　　圖2　產(chǎn)品機(jī)構(gòu)及模具組裝3D建構(gòu)須充分了解LED光源特性、光機(jī)電熱，加上計算機(jī)對光熱仿真分析，才能確?？煽慷群托?。

就LED照明而言，到此才決定LED光源組件(圖1)，接下來還要面對：二次光學(xué)透鏡、反射鏡的設(shè)計，達(dá)到照明在不同應(yīng)用需求的光型、光強(qiáng)分布或光學(xué)組件材料對環(huán)境造成光衰、裂化的考慮。此外，模塊設(shè)計加上電路、電子控制設(shè)計、定電流源、調(diào)光模塊、DMX系統(tǒng)控制模塊、部分熱傳導(dǎo)設(shè)計、部分機(jī)構(gòu)設(shè)計、組立設(shè)計等，必須達(dá)到客戶功能性的要求，同時對LED光源組件不至于造成加速破壞的條件存在。最后則為熱傳導(dǎo)(Thermal Conductivity)熱硬力及散熱設(shè)計(Thermal Management)，在模塊端力求降低LED節(jié)點(diǎn)溫度，均勻快速的將熱集中區(qū)分散到各個面，另外則包括安規(guī)等絕緣設(shè)計考慮。

　　燈具設(shè)計決定市場定位和獲益

　　燈具部分包含工業(yè)、機(jī)構(gòu)、模具、散熱、產(chǎn)品組立、工業(yè)防塵防水等級、安規(guī)設(shè)計考慮及包材等設(shè)計。

　　以上細(xì)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，相互影響最終的產(chǎn)品屬性、質(zhì)量及價格，也決定產(chǎn)品的市場區(qū)隔、壽命、利潤結(jié)構(gòu)及產(chǎn)業(yè)遠(yuǎn)景。

　　LED照明產(chǎn)品設(shè)計須按部就班

　　以照明環(huán)境型式而論，可分為直接、半直接、間接、半間接和漫射照明。而以區(qū)域區(qū)分，可分為建筑、居住、室內(nèi)及室外四區(qū)；再細(xì)部又可分庭院、外墻、客廳、餐廳、浴室、廚房、樓梯等。至于商業(yè)又分工作區(qū)、展示區(qū)、儲藏區(qū)、裝飾等。

　　無論哪一區(qū)、哪一型，在過去數(shù)十年到百余年歷史中，并未有一家獨(dú)大的情況，由于各個區(qū)域所對光的需求也不盡相同，所以對于LED照明設(shè)計而言，在找到企業(yè)強(qiáng)項后，須審慎選擇評估適合的，而非最好或最貴的LED光源，以此光源做為設(shè)計的基礎(chǔ)來開發(fā)適合市場使用需求，或便于掌握營銷的照明產(chǎn)品。

　　以目前LED封裝組件量產(chǎn)的發(fā)光效率在每瓦90～100流明之譜，當(dāng)然每瓦120流明或150流明已非難事，只要降低驅(qū)動電流提升光熱轉(zhuǎn)換效率就能達(dá)到，而市場與成本的關(guān)系，才是未達(dá)量產(chǎn)的原因。換言之，目前標(biāo)準(zhǔn)或額定電流操作下的光電轉(zhuǎn)換效率約在30%，而約略70%仍轉(zhuǎn)換為熱，因此熱傳導(dǎo)及散熱為現(xiàn)階段亟待突破的瓶頸。在照明產(chǎn)品應(yīng)用面，個別光源產(chǎn)品在各時間階段所面臨的技術(shù)問題就是需要各個專業(yè)領(lǐng)域人才去一一限時研究解決。照明產(chǎn)品設(shè)計時間考慮約可分為直接替換的燈泡與高整合性的照明產(chǎn)品，說明如下：

　　縮減直接替換LED燈泡價格為首要之務(wù)

　　直接替換燈泡如MR16、GU10、E27投射或泛光型燈泡PAR30、PAR38(表2、3)、AR111等較大型燈泡，LED產(chǎn)生的熱，加上變壓或恒流驅(qū)動電源模塊所發(fā)出的熱，在有限尺寸散熱面積下，使得小型投射燈泡無法跨越5瓦、300流明門坎；中大型投射燈泡，如帕(PAR)燈等無法跨越13瓦的門坎。相較于傳統(tǒng)光源，小型LED燈泡有十倍至數(shù)十倍的市場價差，而中大型LED燈泡則有數(shù)