封裝技術(shù)與材料推動(dòng)LED發(fā)光效能
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上傳人：admin 上傳時(shí)間： 2007-02-08 瀏覽次數(shù)： 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(kāi)始是一個(gè)很大的革命，自1830年愛(ài)迪生發(fā)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(méi)有太大的改變，雖然效率有所提升，但在基本的材料技術(shù)上并沒(méi)有多太多的變化，但是在固態(tài)照明（Solid State Light）出現(xiàn)后，才是照明技術(shù)真正的革命性的突破，所以看待固態(tài)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?yàn)榧夹g(shù)與材料的突破，整個(gè)照明產(chǎn)業(yè)慢慢的起了微妙的變化。在過(guò)去，提到照明組件業(yè)者，大家會(huì)想到GE、歐司朗（OSRAM）、飛利浦等，這些都是生產(chǎn)照明組件相當(dāng)大的業(yè)者之一，但是固態(tài)照明被開(kāi)發(fā)出來(lái)后，產(chǎn)業(yè)就出現(xiàn)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)傾斜。
■2007年高亮度LED市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1,200億
全球2005年LED市場(chǎng)規(guī)模大概在新臺(tái)幣1,700億元左右，可見(jiàn)光（Visible）LED的市場(chǎng)比例大約占了68％，另外的32％的市場(chǎng)比例屬于紅外光。2003年2007年間，紅外光的市場(chǎng)年平均規(guī)模約在新臺(tái)幣500600億元左右，但可見(jiàn)光的市場(chǎng)規(guī)模，因?yàn)楦吡炼鹊某砷L(zhǎng)，將會(huì)從2003年的928億元成長(zhǎng)到2007年的1,500億元，而整個(gè)Growth Rate的部分，可見(jiàn)光 LED 5年年平均大概是在12％左右，Infrared則是相當(dāng)穩(wěn)定的維持在5％，整體LED的市場(chǎng)成長(zhǎng)率約在10％左右（圖一）。
▲圖一：20032007 LED市場(chǎng)成長(zhǎng)預(yù)測(cè)。
在市場(chǎng)中成長(zhǎng)幅度最大的是屬于高亮度（High Brightness）LED，在2004年的1,600億元市場(chǎng)規(guī)模中，高亮度LED的部分大約為800億元左右，預(yù)計(jì)到2007年的時(shí)候，將成長(zhǎng)到1,200億元的市場(chǎng)規(guī)模。
目前一般對(duì)于高亮度的定義，仍舊是指發(fā)光亮度在8流明以上、以4元發(fā)光材料生產(chǎn)的LED，例如AlGaInN、GaN等，每年平均成長(zhǎng)率（Average Growth Rate）大概是在14％左右，另外，在一般亮度的LED市場(chǎng)成長(zhǎng)的部分，預(yù)計(jì)在未來(lái)將維持相當(dāng)平穩(wěn)300億元規(guī)模的市場(chǎng)規(guī)模，不容易有大幅度成長(zhǎng)或衰退的情況。
Mobile phone是帶動(dòng)高亮度 LED成長(zhǎng)的一個(gè)重要?jiǎng)恿Γ瑥?0032005年，高亮度LED有相當(dāng)大成長(zhǎng)在Mobile phone這個(gè)應(yīng)用上應(yīng)用，目前手機(jī)上的背光源及按鍵燈源大多都是使用高亮度LED。
不過(guò)，到2005年為止，高亮度 LED在手機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)到了一個(gè)成長(zhǎng)瓶頸，由于LED的發(fā)光效率愈來(lái)愈高，所以，未來(lái)使用的LED的數(shù)量反而會(huì)越來(lái)越少，甚至價(jià)格也越來(lái)越激烈。在應(yīng)用用途上，除了會(huì)因?yàn)檎障喙δ芏黾右粋€(gè)閃光用LED以外，基本上市場(chǎng)的規(guī)模已經(jīng)到了飽和的程度，預(yù)計(jì)2005年約為450億元，與2004年相差無(wú)幾，相信未來(lái)這兩年不會(huì)有太大的變化（圖二）。
▲圖二：HB LCD將呈現(xiàn)巨幅成長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
對(duì)于未來(lái)的發(fā)展，大多數(shù)人最看好、成長(zhǎng)速度最快的應(yīng)該是車(chē)用市場(chǎng)，不過(guò)，以目前的應(yīng)用狀況來(lái)看至少還需要二、三年才能普及到整個(gè)市場(chǎng)。現(xiàn)在整體使用LED為光源的大概還是概念車(chē)，但基本上，就發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，從汽車(chē)的內(nèi)裝到外部燈源在未來(lái)將是很大的一塊市場(chǎng)（圖三）。
▲圖三：HB LED市場(chǎng)成長(zhǎng)預(yù)測(cè)。
■高亮度LED將搶占白熱燈泡照明市場(chǎng)
對(duì)于白光High Power LED來(lái)說(shuō)，照明市場(chǎng)將會(huì)是非常大的一個(gè)市場(chǎng)，預(yù)計(jì)在35年后達(dá)到一個(gè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模，預(yù)估 2005年的照明市場(chǎng)規(guī)模，約在130億美元（新臺(tái)幣4,000億元）左右，雖然白光High Power LED的5年市場(chǎng)規(guī)模總額達(dá)到了4億美元（新臺(tái)幣120億元），但是相對(duì)于整個(gè)照明的市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，還是非常的小。
以發(fā)光亮度及效率來(lái)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(fā)光亮度來(lái)看還是低于熒光燈或者鹵素?zé)簟２贿^(guò)，單純Replace白熱燈的市場(chǎng)就已經(jīng)是一個(gè)相當(dāng)大的市場(chǎng)，2005年全球總規(guī)模約130億美元的照明市場(chǎng)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(xiàng)應(yīng)用中，白光High Power LED是有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)發(fā)展空間（圖四）。
▲圖四：全球照明市場(chǎng)成長(zhǎng)預(yù)測(cè)。
而就燈源的取代角度來(lái)看，以目前LED的技術(shù)以及價(jià)格情況，在10流明／瓦以下的應(yīng)用，LED有立即取代的條件，例如紅綠燈、小型燈泡等等的應(yīng)用。
■2007年預(yù)計(jì)可降到0.02美元／流明
從（圖五）可以看出LED成本與發(fā)光效率的演變，在過(guò)去20年中LED的發(fā)光效率一直維持很穩(wěn)定且快速的進(jìn)步，而在流明價(jià)格比的方面，也是維持在一定的減低速度，以2005年來(lái)講，大約0.2美元／流明，2006、2007年預(yù)計(jì)可以降到0.02美元／流明，如果期望應(yīng)用在照明市場(chǎng)，最終降到0.01美元／流明，在未來(lái)的幾年內(nèi)是很有可能的，在中國(guó)大陸是以節(jié)能為目標(biāo)也極力的在推動(dòng)LED的照明，目標(biāo)在2007年達(dá)到0.02美元／流明。所以可以說(shuō)，價(jià)格是技術(shù)進(jìn)步的原動(dòng)力，因?yàn)榧夹g(shù)永遠(yuǎn)比不上價(jià)錢(qián)上的壓力。
▲圖五：LED價(jià)格流明比與亮度發(fā)展趨勢(shì)。
就市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力而言，流明價(jià)格比降低的速度越快越好，但是要如何去做到，這是有相當(dāng)多的門(mén)坎存在，核心技術(shù)還是在LED封裝上面，雖然現(xiàn)在LED封裝制程已經(jīng)是相當(dāng)成熟了，但是，因?yàn)閮r(jià)格這樣的驅(qū)動(dòng)力量，使得LED的封裝包括材料等等都需要再做革命。
長(zhǎng)久以來(lái)，LED封裝的制程沒(méi)有太大的轉(zhuǎn)變，其實(shí)材料是很大的一個(gè)因素，因?yàn)榉庋b材料一直沒(méi)有革命性的突破。但是，在面對(duì)多樣化應(yīng)用的今天，LED封裝材料已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行一些改善。
■熱處理是LED封裝的關(guān)鍵
LED的亮度部分，材料是相當(dāng)重要的一個(gè)關(guān)鍵，不管是Epitaxy或芯片，先天上已經(jīng)決定了LED 50％的亮度，而另外的50％就會(huì)取決在LED的封裝技術(shù)及封裝材料。對(duì)于LED封裝來(lái)講，大家所追求的是怎樣把一個(gè)LED封裝流明數(shù)做得越大越好？
經(jīng)過(guò)封裝的過(guò)程，一個(gè)LED能達(dá)到幾百個(gè)流明，這基本上不是一個(gè)很大的問(wèn)題，主要的問(wèn)題是如何去處理散熱，然后接下來(lái)，在產(chǎn)生這么大的流明后，如何維持他的流明，這又是另外一個(gè)問(wèn)題，如果熱處理（Thermal Management）沒(méi)有做好的話，LED的亮度和壽命下降的會(huì)很快，所以對(duì)于LED來(lái)說(shuō)，如何做到有效的可靠度和Thermal Management，是非常重要。
因?yàn)槭謾C(jī)應(yīng)用市場(chǎng)的原因，這兩年臺(tái)灣高亮度LED發(fā)展的非常快，這是因?yàn)槭謾C(jī)的應(yīng)用要求不是很高，所以，以今天臺(tái)灣的封裝技術(shù)而言，在手機(jī)上的應(yīng)用還是足以負(fù)荷的，但是，在未來(lái)面對(duì)戶(hù)外看板、車(chē)用外部燈源，這對(duì)臺(tái)灣的LED封裝業(yè)者來(lái)說(shuō)就是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，所以，從這方面來(lái)看，國(guó)外的LED大廠，在技術(shù)上還是有一些領(lǐng)先的地位。
■如何去消除因?yàn)樽非蟾吡炼人a(chǎn)生的Thermal
在LED的PN Junction中，光的效率越高，相對(duì)的熱產(chǎn)生就會(huì)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(chǎn)生的熱送到LED封裝中的Pad，對(duì)于高取光效率封裝來(lái)說(shuō)是很重要的一件事。
而在這個(gè)過(guò)程中，怎么樣去消除LED的Temperature，不要造成太大的Thermal效應(yīng)，對(duì)于LED封裝來(lái)講，基本上都是在做Thermal的Conduction。而如何把Junction Temperature能夠降低（因?yàn)閷?duì)半導(dǎo)體來(lái)講最致命的就是Thermal），這是一個(gè)重要的課題。
目前所有的LED封裝材料都是樹(shù)脂，樹(shù)脂1玻璃轉(zhuǎn)化溫度約在100120℃左右，在Maintain Junction Temperature時(shí)，最好不要超過(guò)100℃，如果超過(guò)110120℃，那么這樣的封裝就會(huì)有一些risk。
最近有一些新的封裝觀念和技術(shù)出現(xiàn)，例如Lumileds的Luxeon第二代k2，比LuxeonⅠ大幅提高了光功率。透過(guò)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(duì)材料的概念會(huì)被顛覆，所以說(shuō)樹(shù)脂是不是最佳的LED封裝材料呢？在面對(duì)未來(lái)的應(yīng)用環(huán)境及產(chǎn)品，還有相當(dāng)多可以討論的地方，其實(shí)在整個(gè)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(shí)際上Flip芯片的封裝方式是一個(gè)很好的方式和例子，AlGaInP是一個(gè)非常不好的熱導(dǎo)體，差不多大概只有35℃左右而已，而GaN是一個(gè)比較好的熱導(dǎo)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(shí)比較好的Thermal Solution還可以加上一片薄膜，例如加上一個(gè)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(yè)者就需要增加這樣的Solution給系統(tǒng)廠商，然而，對(duì)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(gè)最佳的狀況？都可以利用軟件去做simulation。其實(shí)有一個(gè)不變的概念就是把Temperature Grading越均勻越好。升降的幅度不要過(guò)大，如果沒(méi)辦法很均勻的分散到LED封裝結(jié)構(gòu)上去，Grading如果比較大將會(huì)造成Junction Temperature比較高。
■Optics是相當(dāng)重要的一環(huán)
另一方面，還需要考量如何在機(jī)構(gòu)的部分如何愈做愈準(zhǔn)，在過(guò)去，LED拿來(lái)作為Indication的應(yīng)用時(shí)，亮度稍微差一點(diǎn)或暗一點(diǎn)并不會(huì)有太大的關(guān)系，但是以后用到照明或背光源的話，就必須做得非常準(zhǔn)確，不然將會(huì)嚴(yán)重影響到顯示器的顯示能力與品質(zhì)。
整個(gè)LED封裝里面，Optics的考量與設(shè)計(jì)是相當(dāng)重要的一環(huán)（圖七）。光在面對(duì)障礙物時(shí)有兩種狀態(tài)，一種是透析，一種是反射，不管在反射或透析的過(guò)程中，都會(huì)有一部份的光被吸收掉，如何在取出的過(guò)程中不被吸收掉，讓光的射出達(dá)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(xué)的考流，針對(duì)不同的應(yīng)用，進(jìn)行不同的封裝設(shè)計(jì)，例如手機(jī)中照相的閃光燈源，照相的閃光燈源對(duì)于光的要求是需要在光源和被拍物體50℃左右，能夠達(dá)到照度相當(dāng)均勻到一個(gè)程度，這基本上就是光學(xué)系統(tǒng)要處理的，包括Color Filter的還有二次光學(xué)（second optical）都是怎樣把光的效率做好的一些方法。
（圖八）是幾個(gè)典型LED裝模式，這些都脫離不了如何做成一個(gè)LENS把光束縮斂、怎么發(fā)散的、怎么在角度中反射，怎么樣達(dá)到最高的取光效率。比較傳統(tǒng)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(xiàn)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(cè)光，做成一個(gè)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(zhuān)利面臨地雷
LED被普及應(yīng)用30年以來(lái)，在過(guò)去20年，產(chǎn)業(yè)界從來(lái)沒(méi)有想過(guò)封裝專(zhuān)利的問(wèn)題，像5Φ、3Φ的Lamp根本不會(huì)有什么封裝專(zhuān)利的問(wèn)題，客戶(hù)要什么樣Lamp，封裝廠就可以依樣化葫蘆生產(chǎn)出來(lái)，絲毫不必?fù)?dān)心或在意封裝專(zhuān)利的問(wèn)題。
最近10年來(lái)這樣的議題就陸續(xù)出現(xiàn)，因?yàn)镚aN的開(kāi)始，再加上后來(lái)LED封裝技術(shù)和型態(tài)的越來(lái)越多、材料的因素及LED封裝方式，直到高亮度LED的出現(xiàn)，現(xiàn)在已經(jīng)完全不同了，LED的封裝產(chǎn)業(yè)越來(lái)越接近半導(dǎo)體的模式。現(xiàn)在LED業(yè)者在做RD開(kāi)發(fā)前，一定要查閱一下所有LED封裝的IP，做必要的自我防護(hù)。
目前所有高亮度LED所踫到的最大的封裝專(zhuān)利，第一個(gè)就是熒光粉（Phosphor）的問(wèn)題，目前尤其是在白光LED的應(yīng)用（相關(guān)數(shù)據(jù)請(qǐng)見(jiàn)2005/11/4電子時(shí)報(bào)「爭(zhēng)食白光LED市場(chǎng) 各式熒光粉技術(shù)陸續(xù)出籠」一文）。
第二個(gè)Issue是混光，在藍(lán)光LED被開(kāi)發(fā)出來(lái)后，LED業(yè)者就開(kāi)始利用藍(lán)光LED，熒光粉加上激發(fā)出來(lái)的黃光，混光之后成了白色，Osram和日亞化學(xué)發(fā)展這樣Conversion的技術(shù)已經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間了。所以，目前如果是利用混光的方法來(lái)讓LED發(fā)出白光，都會(huì)碰到Osram和日亞化學(xué)的封裝專(zhuān)利Issue。
第三方面，藍(lán)光LED的芯片結(jié)構(gòu)，目前應(yīng)該是屬日亞化學(xué)發(fā)展的最為完整，其所擁有的專(zhuān)利，幾乎都已經(jīng)占滿(mǎn)讓藍(lán)光LED高效率發(fā)光的可能方法。所以，期望開(kāi)發(fā)高效率藍(lán)光LED，都不得不去考量日亞化學(xué)的專(zhuān)利范圍。
第四，目前或許在Assembly LED封裝的部分還沒(méi)有看到專(zhuān)利問(wèn)題，但是所有的芯片LED SMD，包括未來(lái)Power LED的封裝，絕對(duì)是另一個(gè)專(zhuān)利戰(zhàn)場(chǎng)。雖然現(xiàn)在市場(chǎng)的應(yīng)用范圍規(guī)模還是不大，僅在一些小尺寸LCD背光的顯示應(yīng)用，但是隨著大尺寸LCD背光的顯示應(yīng)用陸續(xù)出現(xiàn)之后，在未來(lái)，在Power LED這一個(gè)技術(shù)上，可以預(yù)見(jiàn)不管是Thermal或是Optical等部分，都會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)相當(dāng)多的專(zhuān)利Issue。
■LED產(chǎn)業(yè)越來(lái)越多的聯(lián)盟與合作
（圖九）是關(guān)于全球LED產(chǎn)業(yè)專(zhuān)利交互授權(quán)或合作的剖析，在這里面主要集團(tuán)還是以日亞化學(xué)為中心，除此之外，Osram跟Lumileds也形成了一個(gè)副中心，以GaN作為材料的LED，日亞化學(xué)仍舊是主要的供貨商，而因?yàn)閾碛写罅康膶?zhuān)利，等于是把整個(gè)GaN技術(shù)給保護(hù)住，目前在這方面日亞化學(xué)已經(jīng)與其它業(yè)者開(kāi)始進(jìn)行有限度的交叉授權(quán)，但是在白光部分還是沒(méi)有開(kāi)放，僅有授權(quán)讓Citizen為本身進(jìn)行代工生產(chǎn)。Lumileds的技術(shù)主要是四元材料（AlGaInP），而基本上觀念是采取開(kāi)放授權(quán)的態(tài)度。
▲圖九：全球LED業(yè)者相互授權(quán)一覽。
Osram是除了日亞化學(xué)以外，對(duì)于發(fā)展白光LED布局比較強(qiáng)業(yè)者。熒光粉的授權(quán)部分是采用TAG熒光粉，有別于日亞化學(xué)的YAG（釔鋁石榴石）的熒光粉，但是，在發(fā)光效率上仍舊有一段距離，而因?yàn)槿諄喕瘜W(xué)不愿意將藍(lán)光LED＋YAG熒光粉的License給其它業(yè)者。所以臺(tái)灣、韓國(guó)業(yè)者，都分頭向Oosram進(jìn)行License的動(dòng)作，利用TAG加上藍(lán)光LED來(lái)達(dá)到生產(chǎn)白光LED的目標(biāo)。
就市場(chǎng)規(guī)模來(lái)看，由于應(yīng)用產(chǎn)品的增多，白光、藍(lán)光LED開(kāi)始進(jìn)入量產(chǎn)擴(kuò)大期，隨之而來(lái)的就是業(yè)者之間的互補(bǔ)性或支付權(quán)利金的授權(quán)合作。在 芯片的部分，全球已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行交叉授權(quán)，雖然日亞化學(xué)沒(méi)有開(kāi)放白光LED的技術(shù)授權(quán)生產(chǎn)，但是隨著半導(dǎo)體與熒光粉的材料不斷改革情況下，已經(jīng)有越來(lái)越多的選擇，芯片生產(chǎn)技術(shù)也越來(lái)越多。
最終，市場(chǎng)還是會(huì)走到Cost的問(wèn)題，所以，因?yàn)橐越档统杀緸槟繕?biāo)，產(chǎn)業(yè)之間將會(huì)出現(xiàn)更多的聯(lián)盟或技術(shù)合作，例如，即便對(duì)日亞化學(xué)來(lái)講，雖然在白光LED部分絕對(duì)性的優(yōu)勢(shì)，但是在Advance的應(yīng)用領(lǐng)域里，像是汽車(chē)或照明的部分的話，就不是日亞化學(xué)的強(qiáng)項(xiàng)，如果計(jì)劃進(jìn)入這一個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域的話，還是需要和Osram、Lumileds或是比較做專(zhuān)注于發(fā)展照明的業(yè)者進(jìn)行聯(lián)盟的動(dòng)作，可以預(yù)見(jiàn)到，如果未來(lái)LED的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已經(jīng)提升到Advance應(yīng)用的話，將會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越多的聯(lián)盟與合作。
■隨技術(shù)與材料進(jìn)步 問(wèn)題將被一一克服
因?yàn)長(zhǎng)ED具有高彈性的特性，雖然以今天的技術(shù)和材料來(lái)看，雖然還不具備相當(dāng)不錯(cuò)的照明能力，但是在其它的應(yīng)用方面，已經(jīng)在慢慢改變生活的環(huán)境與感受，例如使用LED作為煞車(chē)燈的汽車(chē)，在120公里時(shí)速以下，后方車(chē)輛可以減短5公里煞車(chē)距離。
由于LED是非常小的芯片，所以可以做成不同的組合，因?yàn)槭且环N固態(tài)的照明，擁有非常好的耐候性、耐摔性，壽命比燈泡長(zhǎng)很多，當(dāng)然，還是有一些技術(shù)上問(wèn)題，例如目前效率和Cost比沒(méi)辦法做的那么低。但是隨著技術(shù)與材料的進(jìn)步，在未來(lái)這些都將會(huì)被一一的克服。
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