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當前位置技術(shù)知識 >> 改良封裝技巧 提高HB LED光通量

毫無疑問，這個世界需要高亮度發(fā)光二極管（HB LED），不僅是高亮度的白光LED（HB WLED），也包含高亮度的各色LED，且從現(xiàn)在起的未來更是積極努力與需要超高亮度的LED（UHD LED）。
　　用LED背光代替手持裝置原有的EL背光、CCFL背光，不僅電路設(shè)計更簡潔輕易，且有較高的抗外力性。用LED背光代替液晶電視原有的CCFL背光，不僅更環(huán)保而且顯示更逼真亮麗。用LED照明代替白光燈、鹵素燈等照明，不僅更光明省電，應(yīng)用也更長效，且點亮反應(yīng)更快，用于煞車燈時能減少后車追撞率。所以，LED從過往只能用在電子裝置的狀態(tài)唆使燈，提高到成為液晶顯示的背光，再擴大到電子照明及大眾,顯示，如車用燈、交通信號燈、信息廣告牌、大型影視墻，甚至是投影機內(nèi)的照明等，其利用仍在持續(xù)延伸。更重要的是，LED的亮度效率就如同摩爾定律（Moore＇＇s Law）一樣，每24個月晉升一倍，過往認為白光LED只能用來代替過于耗電的白熾燈、鹵素燈，即發(fā)光效率在10～30lm/W內(nèi)的層次，然而在白光LED突破60lm/W甚至達100lm/W后，就連熒光燈、高壓氣體放電燈等也開端感受到要挾。
　　固然LED持續(xù)加強亮度及發(fā)光效率，但除了核心的熒光質(zhì)、混光等專利技巧外，對封裝來說也將是愈來愈大的挑釁，且是雙重艱苦的挑釁，一方面封裝必需讓LED有最大的取光率、最高的光通量，使光折損降至最低，同時還要重視光的發(fā)散角度、光均性、與導光板的搭配性。另一方面，封裝必需讓LED有最佳的散熱性，特別是HB（高亮度）幾乎意味著HP（高功率、高用電），進出LED的電流值持續(xù)在增大，倘若不能良好散熱，則不僅會使LED的亮度削弱，還會縮短LED的應(yīng)用壽命。所以，持續(xù)尋求高亮度的LED，其應(yīng)用的封裝技巧若沒有對應(yīng)的強化晉升，那么高亮度表現(xiàn)也會因此打折，因此本文將針對HB LED的封裝技巧進行更多討論，包含光通方面的討論，也包含熱導方面的討論。
***晶層：“量子井、多量子井”晉升“光轉(zhuǎn)效率”
　　固然本文重要在談?wù)揕ED封裝對光通量的強化，但在此也不得不先闡明更深層核心的***晶部分，畢竟***晶結(jié)構(gòu)的改良也能使光通量大幅晉升。首先是強化光轉(zhuǎn)效率，這也是最根源之道，現(xiàn)有LED的每瓦用電中，僅有15％～2％被轉(zhuǎn)化成光能，其余都被轉(zhuǎn)化成熱能并消散掉（廢熱），而晉升此一轉(zhuǎn)換效率的重點就在p-n接面（p-n junction）上，p-n接面是LED重要的發(fā)光發(fā)熱地位，透過p-n接面的結(jié)構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)變可晉升轉(zhuǎn)化效率。目前多是在p-n接面上開鑿量子井（Quantum Well；QW），以此來晉升用電轉(zhuǎn)換成光能的比例，更進一步的也將朝更多的開鑿數(shù)來努力，即是多量子井（Multiple Quantum Well；MQW）技巧。
“換料改構(gòu)、光透光折”拉高“出光效率”
　　假如光轉(zhuǎn)效率難再請求，進一步的就必需從出光效率的層面下手，此層面的作法相當多，根據(jù)不同的化合材料也有不同，目前HB LED較常應(yīng)用的兩種化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN，前者用來產(chǎn)生高亮度的橘紅、橙、黃、綠光，后者GaN用來產(chǎn)生綠、翠綠、藍光，以及用InGaN產(chǎn)生近紫外線、藍綠、藍光。方法包含轉(zhuǎn)變實體幾何結(jié)構(gòu)（橫向轉(zhuǎn)成垂直）、換用基板（substrate，也稱：襯底）的材料、參加新的材料層、轉(zhuǎn)變材料層的接合方法、不同的材料表面處理等。不過，無論如何變更，大體都不離兩個原則：一、下降遮蔽、增加光透率。二、強化光折射、反射的利用率。如過往AlGaInP的LED，其基板所用的材料為GaAs，然玄色表面的GaAs使p-n接面散發(fā)出的光有一半被遮擋接收，造成光能的浪費，因此改用透明的GaP材料來做基板。又如日本日亞化學產(chǎn)業(yè)（Nichia），將p型電極（p type）部分做成網(wǎng)紋狀（Mesh Pattern），以此來增加p極的透明度，減少光阻礙同時晉升光透量。至于增加折反射上，在AlGaInP的結(jié)構(gòu)中增加一層DBR（Distributed Bragg Reflector）反射層，將另一邊的光源折向同一邊。GaN方面則將基板材料換成藍寶石（三氧化二鋁）來增加反射，同時將基板表面設(shè)計成凹凸紋狀，藉此增加光反射后的散射角度，進而使取光率晉升?；蛉绲聡鴼W司朗（OSRAM）應(yīng)用SiC材料的基板，并將基板設(shè)計成斜面，也有助于增加反射，或參加銀質(zhì)、鋁質(zhì)的金屬鏡射層。
封裝層：抗老化黃光、透光率捍衛(wèi)戰(zhàn)
　　從***晶層面努力增加光明后，接著就正式從封裝層面接手，務(wù)使光通保持最高、光衰減至最少。
　　要有高的流明保持率（Transmittance），第一步是封裝材質(zhì)。過往LED最常用的是環(huán)氧樹脂（epoxy），但環(huán)氧樹脂老化后會逐漸變黃，進而影響光明色彩，尤其波長愈低時老化愈快，特別是部分WLED應(yīng)用近紫外線（Near ultraviolet）發(fā)光，與其它可見光相比其波長又更低，老化更快。新的提案是用硅樹脂（silicone），例如美國Lumileds公司的Luxeon系列LED即是改采硅封膠。不只是Lumileds Luxeon，其它業(yè)者也都有硅膠計劃，如通用電氣.東芝公司的InvisiSi1，東麗．道康寧的SR 7010等也都是LED的硅膠封裝計劃。
　　硅膠除了對低波長有較佳的抗受性、較不易老化外，硅膠阻隔近紫外線使其不過泄也是對人體健康的一種保護，此外硅膠的光透率、折射率、耐熱性都很幻想。GE Toshiba的InvisiSi1具有高達1.5～1.53的折射率，波長范疇在350nm～800nm間的光透率達95％，且波長低至300nm時仍有75％～80％的光透，將折射率降至1.41，即便是300nm波長也能保持95％的光透性。Dow Coring Toray的SR 7010在405nm波長以上時間透率達99％，且硬化處理后折射率亦有1.51，另外耐熱上也都能達180℃～200℃的程度。此外，也有業(yè)者提出所謂的無樹脂封裝，即是用玻璃來作為外套保護，如日本京瓷（Kyocera）提出的陶瓷封裝，都是為了抗老化而提出，其中陶瓷也有較佳的耐熱后果。
封裝層：透鏡的透射　反射杯的反射、折射
　　在用膠封裝完后，根據(jù)LED的不同用處會有各種不同的接續(xù)作法，例如做成一個一個的獨立封裝組件，過往最典范的單顆LED唆使燈即是如此。另一種則是將多個LED并成一個整體性組件，如七段顯示器、點陣型顯示器等。此外焊接腳位方面也有兩種區(qū)分，即穿孔技巧（Through-Hole Technology）及表面黏著技巧（Su***ce-Mount Technology）。
　　就逐一獨立、分別、離散性的封裝來說，也要因應(yīng)不同的利用而有不同的封裝外觀。若是作為穿孔性焊接的狀態(tài)唆使燈則只要采行燈泡（Lamp）型態(tài)的封裝（俗稱成“炮彈型”），即便是此也還有透鏡型態(tài)（Lens Type）的差別，如典范Lamp、卵橢圓Oval、超卵橢圓Super Oval、平直Flat等。而若是表面黏著型，也有頂視Top View、邊視Side View、圓頂Dome等。
　　為何要有各種不同的透鏡外型？就一般而言，Lamp用來做唆使燈號、Oval用于戶外標示或號志、Top View用來做直落式的背光、Flat與Side View配合導光板（Guide Plate）作側(cè)邊進光式的背光、Dome作為小型照明燈泡、小型閃光燈等。外型不同、利用不同，發(fā)光的可視角度（View Angle）也就不同，此部分也就再次考驗封裝設(shè)計。應(yīng)用不同的設(shè)計方法，可以獲得不同的發(fā)光角度、光強度、光通量，此方面常見的做法有四：中軸透鏡Axial lens、平直透鏡Flat lens、反射杯Reflective cup、島塊反射杯Reflective cup by island。一般的Lamp用的即是中軸透鏡法，Dome及Oval/Super Oval等也類似，但Oval/Super Oval的光明比Lamp更集中在軸向的小角度內(nèi)。而Flat則是用平直透鏡法，利益是光視角比中軸透鏡法更大，但毛病是光通量下降、光強度削弱。至于Top View、Side View等則多用反射杯或島塊反射杯，此作法是在封裝內(nèi)參加反射鏡，對部分發(fā)散角度的光束進行反射、折射等收斂動作，使角度與光強度能取得平衡。
　　就技巧難易來說，只用上透鏡的Axial lens、Flat lens較為簡易，只要考慮透射與光束發(fā)散性，相對的有Reflective cup就不同了，原有的透射、發(fā)散都要考慮，還要考慮反射、折射以及光束收斂，更加復(fù)雜。
　　材質(zhì)方面，透鏡部分除了可持續(xù)用原有的覆膠材質(zhì)外也可以改用其它材質(zhì)，由于透鏡已較為講究光透而不講究***晶防護，如此還可采行塑料（Plastic）、壓克力（Acrylic）、玻璃（Glass）、聚碳酸酯（Polycarbonate）等，且如之前所述，光透性與波長有關(guān)，不同波長光透度不同，再加上有不同的材質(zhì)可選擇，甚至要為透鏡上色，好增加光色的對照度，或視利用處合的裝飾后果（玩具、圣誕樹），還有前面的透鏡、反射杯等幾何設(shè)計等，以上種種構(gòu)成了LED光通上的第四道課題。
結(jié)語
　　HB LED被人夸張為“綠色照明”，言下之意“環(huán)?！笔瞧浜艽蟮脑V求點，所以不僅要無鉛（Pb Free）封裝，還要合乎本日歐洲RoHS（限用迫害物質(zhì)指令）的法令規(guī)范，無論封裝與LED整體都不能含有汞、鎘、六價鉻（hexavalent c h romium）、多溴聯(lián)苯（PolyBrominated Biphenyls；PBB）、多溴聯(lián)苯醚（PolyBrominated Diphenyl Ether；PBDE）等環(huán)境有害物，此外WEEE（放棄電子電機設(shè)備指令）等其它相干法規(guī)也必需遵照。
　　前面我們也已經(jīng)簡略提到封裝物必需能封阻與抗受低波長、紫外光，還要有必定的硬度來抗受機械外力，以及耐熱性，此外盡緣、抗靜電、抗?jié)褚捕急匦枇粜?。更重要的是，無論是否高亮度，都必需盡可能將光明導出，由于，若不能忠誠導出光能，光能在封裝層內(nèi)被接收，就會轉(zhuǎn)化成熱能，為封裝上的散熱標題又添一項課題，LED的熱若不能順利排解與下降，成為熱負荷，反過來一樣要損害LED本體，包含亮度也會受到影響，因此，達到最佳、最幻想的光通，是封裝設(shè)計必定要器重課題！