封裝技術與材料推動LED發光效能
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上傳人：admin 上傳時間： 2007-02-08 瀏覽次數： 146 |
LED照明的革命性變遷，就像真空管到晶體管，及CRT到Flat Panel Display是革命性的突破一樣，照明從1980年開始是一個很大的革命，自1830年愛迪生發明燈泡，到目前為止，大部分還是氣體放電，將近100多年，一直沒有太大的改變，雖然效率有所提升，但在基本的材料技術上并沒有多太多的變化，但是在固態照明（Solid State Light）出現后，才是照明技術真正的革命性的突破，所以看待固態照明這樣的變化，就像晶體管及Flat Panel Display都是跨革命的成就。
因為技術與材料的突破，整個照明產業慢慢的起了微妙的變化。在過去，提到照明組件業者，大家會想到GE、歐司朗（OSRAM）、飛利浦等，這些都是生產照明組件相當大的業者之一，但是固態照明被開發出來后，產業就出現一些改變，例如，飛利浦（Philips）和Aglent合資成立了Lumileds，而Osram就成立了Osram照明等新公司慢慢向半導體產業傾斜。
■2007年高亮度LED市場規模將達到1,200億
全球2005年LED市場規模大概在新臺幣1,700億元左右，可見光（Visible）LED的市場比例大約占了68％，另外的32％的市場比例屬于紅外光。2003年2007年間，紅外光的市場年平均規模約在新臺幣500600億元左右，但可見光的市場規模，因為高亮度的成長，將會從2003年的928億元成長到2007年的1,500億元，而整個Growth Rate的部分，可見光 LED 5年年平均大概是在12％左右，Infrared則是相當穩定的維持在5％，整體LED的市場成長率約在10％左右（圖一）。
▲圖一：20032007 LED市場成長預測。
在市場中成長幅度最大的是屬于高亮度（High Brightness）LED，在2004年的1,600億元市場規模中，高亮度LED的部分大約為800億元左右，預計到2007年的時候，將成長到1,200億元的市場規模。
目前一般對于高亮度的定義，仍舊是指發光亮度在8流明以上、以4元發光材料生產的LED，例如AlGaInN、GaN等，每年平均成長率（Average Growth Rate）大概是在14％左右，另外，在一般亮度的LED市場成長的部分，預計在未來將維持相當平穩300億元規模的市場規模，不容易有大幅度成長或衰退的情況。
Mobile phone是帶動高亮度 LED成長的一個重要動力，從20032005年，高亮度LED有相當大成長在Mobile phone這個應用上應用，目前手機上的背光源及按鍵燈源大多都是使用高亮度LED。
不過，到2005年為止，高亮度 LED在手機上的應用已經到了一個成長瓶頸，由于LED的發光效率愈來愈高，所以，未來使用的LED的數量反而會越來越少，甚至價格也越來越激烈。在應用用途上，除了會因為照相功能而增加一個閃光用LED以外，基本上市場的規模已經到了飽和的程度，預計2005年約為450億元，與2004年相差無幾，相信未來這兩年不會有太大的變化（圖二）。
▲圖二：HB LCD將呈現巨幅成長態勢。
對于未來的發展，大多數人最看好、成長速度最快的應該是車用市場，不過，以目前的應用狀況來看至少還需要二、三年才能普及到整個市場。現在整體使用LED為光源的大概還是概念車，但基本上，就發展的趨勢來看，從汽車的內裝到外部燈源在未來將是很大的一塊市場（圖三）。
▲圖三：HB LED市場成長預測。
■高亮度LED將搶占白熱燈泡照明市場
對于白光High Power LED來說，照明市場將會是非常大的一個市場，預計在35年后達到一個產業規模，預估 2005年的照明市場規模，約在130億美元（新臺幣4,000億元）左右，雖然白光High Power LED的5年市場規模總額達到了4億美元（新臺幣120億元），但是相對于整個照明的市場來說，還是非常的小。
以發光亮度及效率來看，雖然LED的效率是高于白熱燈泡（白熱燈泡大概810流明／瓦），但是，就發光亮度來看還是低于熒光燈或者鹵素燈。不過，單純Replace白熱燈的市場就已經是一個相當大的市場，2005年全球總規模約130億美元的照明市場中，白熱燈泡的比例約占了27％白熱燈泡，所以在照明的這一項應用中，白光High Power LED是有相當的市場發展空間（圖四）。
▲圖四：全球照明市場成長預測。
而就燈源的取代角度來看，以目前LED的技術以及價格情況，在10流明／瓦以下的應用，LED有立即取代的條件，例如紅綠燈、小型燈泡等等的應用。
■2007年預計可降到0.02美元／流明
從（圖五）可以看出LED成本與發光效率的演變，在過去20年中LED的發光效率一直維持很穩定且快速的進步，而在流明價格比的方面，也是維持在一定的減低速度，以2005年來講，大約0.2美元／流明，2006、2007年預計可以降到0.02美元／流明，如果期望應用在照明市場，最終降到0.01美元／流明，在未來的幾年內是很有可能的，在中國大陸是以節能為目標也極力的在推動LED的照明，目標在2007年達到0.02美元／流明。所以可以說，價格是技術進步的原動力，因為技術永遠比不上價錢上的壓力。
▲圖五：LED價格流明比與亮度發展趨勢。
就市場的競爭力而言，流明價格比降低的速度越快越好，但是要如何去做到，這是有相當多的門坎存在，核心技術還是在LED封裝上面，雖然現在LED封裝制程已經是相當成熟了，但是，因為價格這樣的驅動力量，使得LED的封裝包括材料等等都需要再做革命。
長久以來，LED封裝的制程沒有太大的轉變，其實材料是很大的一個因素，因為封裝材料一直沒有革命性的突破。但是，在面對多樣化應用的今天，LED封裝材料已經開始進行一些改善。
■熱處理是LED封裝的關鍵
LED的亮度部分，材料是相當重要的一個關鍵，不管是Epitaxy或芯片，先天上已經決定了LED 50％的亮度，而另外的50％就會取決在LED的封裝技術及封裝材料。對于LED封裝來講，大家所追求的是怎樣把一個LED封裝流明數做得越大越好？
經過封裝的過程，一個LED能達到幾百個流明，這基本上不是一個很大的問題，主要的問題是如何去處理散熱，然后接下來，在產生這么大的流明后，如何維持他的流明，這又是另外一個問題，如果熱處理（Thermal Management）沒有做好的話，LED的亮度和壽命下降的會很快，所以對于LED來說，如何做到有效的可靠度和Thermal Management，是非常重要。
因為手機應用市場的原因，這兩年臺灣高亮度LED發展的非常快，這是因為手機的應用要求不是很高，所以，以今天臺灣的封裝技術而言，在手機上的應用還是足以負荷的，但是，在未來面對戶外看板、車用外部燈源，這對臺灣的LED封裝業者來說就是一個很大的挑戰，所以，從這方面來看，國外的LED大廠，在技術上還是有一些領先的地位。
■如何去消除因為追求高亮度所產生的Thermal
在LED的PN Junction中，光的效率越高，相對的熱產生就會越少，但是很不幸的，大部分光的取出效率只有2030％，其它部分都變成熱了，Thermal Resistance Management是怎樣從Junction中所產生的熱送到LED封裝中的Pad，對于高取光效率封裝來說是很重要的一件事。
而在這個過程中，怎么樣去消除LED的Temperature，不要造成太大的Thermal效應，對于LED封裝來講，基本上都是在做Thermal的Conduction。而如何把Junction Temperature能夠降低（因為對半導體來講最致命的就是Thermal），這是一個重要的課題。
目前所有的LED封裝材料都是樹脂，樹脂1玻璃轉化溫度約在100120℃左右，在Maintain Junction Temperature時，最好不要超過100℃，如果超過110120℃，那么這樣的封裝就會有一些risk。
最近有一些新的封裝觀念和技術出現，例如Lumileds的Luxeon第二代k2，比LuxeonⅠ大幅提高了光功率。透過改量芯片，將光效能提高了1030％。而在溫度的方面將Junction Temperature由135℃提高至185℃。對材料的概念會被顛覆，所以說樹脂是不是最佳的LED封裝材料呢？在面對未來的應用環境及產品，還有相當多可以討論的地方，其實在整個LED封裝里面，如果可以利用玻璃或是其它材料的話，Junction Temperature還可以再做更好的控制。
怎么去降低熱阻抗？實際上Flip芯片的封裝方式是一個很好的方式和例子，AlGaInP是一個非常不好的熱導體，差不多大概只有35℃左右而已，而GaN是一個比較好的熱導體，大概有200℃左右，利用Flip芯片的封裝方式可以把Thermal降到更低。在（圖六）中可以看到，紅色的部分就是LED部分，大概有83℃左右的Junction Temperature，其實比較好的Thermal Solution還可以加上一片薄膜，例如加上一個Heat Sink。
▲圖六：InGaN芯片利用Flip Chip方式封裝下溫度分布圖。
而封裝業者就需要增加這樣的Solution給系統廠商，然而，對于這片Heat Sink如何去做optimum design，怎么去改變他們的形狀、高度、厚度，得到一個最佳的狀況？都可以利用軟件去做simulation。其實有一個不變的概念就是把Temperature Grading越均勻越好。升降的幅度不要過大，如果沒辦法很均勻的分散到LED封裝結構上去，Grading如果比較大將會造成Junction Temperature比較高。
■Optics是相當重要的一環
另一方面，還需要考量如何在機構的部分如何愈做愈準，在過去，LED拿來作為Indication的應用時，亮度稍微差一點或暗一點并不會有太大的關系，但是以后用到照明或背光源的話，就必須做得非常準確，不然將會嚴重影響到顯示器的顯示能力與品質。
整個LED封裝里面，Optics的考量與設計是相當重要的一環（圖七）。光在面對障礙物時有兩種狀態，一種是透析，一種是反射，不管在反射或透析的過程中，都會有一部份的光被吸收掉，如何在取出的過程中不被吸收掉，讓光的射出達到最高的效率、如何把光混得均勻、把光的亮度做的柔和，怎樣去optimum光的可視角度？
▲圖七：LED封裝中需考慮光線的折射與穿透。
這些都是需要做光學的考流，針對不同的應用，進行不同的封裝設計，例如手機中照相的閃光燈源，照相的閃光燈源對于光的要求是需要在光源和被拍物體50℃左右，能夠達到照度相當均勻到一個程度，這基本上就是光學系統要處理的，包括Color Filter的還有二次光學（second optical）都是怎樣把光的效率做好的一些方法。
（圖八）是幾個典型LED裝模式，這些都脫離不了如何做成一個LENS把光束縮斂、怎么發散的、怎么在角度中反射，怎么樣達到最高的取光效率。比較傳統的是做Lens的方式，最近比較多Flat LED做成Lens的方式，利用在上面加透鏡改為光的散射模式，所以現在很多Power LED封裝就是在里面把光集中以后，再做成Second Lens，打成正光、側光，做成一個Lambertian 的Light Distribution或是Side view的Distribution。
▲圖八：多種LED封裝方式與特性一覽。
■白光LED封裝專利面臨地雷
LED被普及應用30年以來，在過去20年，產業界從來沒有想過封裝專利的問題，像5Φ、3Φ的Lamp根本不會有什么封裝專利的問題，客戶要什么樣Lamp，封裝廠就可以依樣化葫蘆生產出來，絲毫不必擔心或在意封裝專利的問題。
最近10年來這樣的議題就陸續出現，因為GaN的開始，再加上后來LED封裝技術和型態的越來越多、材料的因素及LED封裝方式，直到高亮度LED的出現，現在已經完全不同了，LED的封裝產業越來越接近半導體的模式。現在LED業者在做RD開發前，一定要查閱一下所有LED封裝的IP，做必要的自我防護。
目前所有高亮度LED所踫到的最大的封裝專利，第一個就是熒光粉（Phosphor）的問題，目前尤其是在白光LED的應用（相關數據請見2005/11/4電子時報「爭食白光LED市場 各式熒光粉技術陸續出籠」一文）。
第二個Issue是混光，在藍光LED被開發出來后，LED業者就開始利用藍光LED，熒光粉加上激發出來的黃光，混光之后成了白色，Osram和日亞化學發展這樣Conversion的技術已經有相當長的一段時間了。所以，目前如果是利用混光的方法來讓LED發出白光，都會碰到Osram和日亞化學的封裝專利Issue。
第三方面，藍光LED的芯片結構，目前應該是屬日亞化學發展的最為完整，其所擁有的專利，幾乎都已經占滿讓藍光LED高效率發光的可能方法。所以，期望開發高效率藍光LED，都不得不去考量日亞化學的專利范圍。
第四，目前或許在Assembly LED封裝的部分還沒有看到專利問題，但是所有的芯片LED SMD，包括未來Power LED的封裝，絕對是另一個專利戰場。雖然現在市場的應用范圍規模還是不大，僅在一些小尺寸LCD背光的顯示應用，但是隨著大尺寸LCD背光的顯示應用陸續出現之后，在未來，在Power LED這一個技術上，可以預見不管是Thermal或是Optical等部分，都會陸續出現相當多的專利Issue。
■LED產業越來越多的聯盟與合作
（圖九）是關于全球LED產業專利交互授權或合作的剖析，在這里面主要集團還是以日亞化學為中心，除此之外，Osram跟Lumileds也形成了一個副中心，以GaN作為材料的LED，日亞化學仍舊是主要的供貨商，而因為擁有大量的專利，等于是把整個GaN技術給保護住，目前在這方面日亞化學已經與其它業者開始進行有限度的交叉授權，但是在白光部分還是沒有開放，僅有授權讓Citizen為本身進行代工生產。Lumileds的技術主要是四元材料（AlGaInP），而基本上觀念是采取開放授權的態度。
▲圖九：全球LED業者相互授權一覽。
Osram是除了日亞化學以外，對于發展白光LED布局比較強業者。熒光粉的授權部分是采用TAG熒光粉，有別于日亞化學的YAG（釔鋁石榴石）的熒光粉，但是，在發光效率上仍舊有一段距離，而因為日亞化學不愿意將藍光LED＋YAG熒光粉的License給其它業者。所以臺灣、韓國業者，都分頭向Oosram進行License的動作，利用TAG加上藍光LED來達到生產白光LED的目標。
就市場規模來看，由于應用產品的增多，白光、藍光LED開始進入量產擴大期，隨之而來的就是業者之間的互補性或支付權利金的授權合作。在 芯片的部分，全球已經開始進行交叉授權，雖然日亞化學沒有開放白光LED的技術授權生產，但是隨著半導體與熒光粉的材料不斷改革情況下，已經有越來越多的選擇，芯片生產技術也越來越多。
最終，市場還是會走到Cost的問題，所以，因為以降低成本為目標，產業之間將會出現更多的聯盟或技術合作，例如，即便對日亞化學來講，雖然在白光LED部分絕對性的優勢，但是在Advance的應用領域里，像是汽車或照明的部分的話，就不是日亞化學的強項，如果計劃進入這一個市場領域的話，還是需要和Osram、Lumileds或是比較做專注于發展照明的業者進行聯盟的動作，可以預見到，如果未來LED的應用范圍不斷擴大，已經提升到Advance應用的話，將會產生越來越多的聯盟與合作。
■隨技術與材料進步 問題將被一一克服
因為LED具有高彈性的特性，雖然以今天的技術和材料來看，雖然還不具備相當不錯的照明能力，但是在其它的應用方面，已經在慢慢改變生活的環境與感受，例如使用LED作為煞車燈的汽車，在120公里時速以下，后方車輛可以減短5公里煞車距離。
由于LED是非常小的芯片，所以可以做成不同的組合，因為是一種固態的照明，擁有非常好的耐候性、耐摔性，壽命比燈泡長很多，當然，還是有一些技術上問題，例如目前效率和Cost比沒辦法做的那么低。但是隨著技術與材料的進步，在未來這些都將會被一一的克服。
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