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高亮度LED製程技術簡介

2011/09/15-DIGITIMES企劃 報導

斯特林照明

在全球對抗溫室效應、環保熱潮下,LED替代光源發展也出現跳躍性發展,不但延續LED光源本身環保、壽命長、體積小優點,加上日益成熟的高亮度、高功率LED技術,更讓LED取代日常光源的可用性大幅提升,成為目前節約能源、替代高耗能光源的首選...

LED光源具備多項環保優勢,但早期產品在散熱處理與高亮度設計方面,仍存在某些技術瓶頸無法突破,但在LED晶片製程持續改善下,現有照明用LED的亮度輸出流明更趨近於日常照明需求,加上IC固態形式的元件設計,讓LED的光源設計增加更多應用彈性與優勢。

尤其是LED光源不易損壞、壽命長的優點,若不計單組成本問題,相較於傳統高耗能的鎢絲燈(白熾燈)/鹵素燈/高壓鈉燈、有汞污染疑慮的CCFL螢光燈具,LED是表現相當優異的替代性光源新選擇。

但為了因應不同日常照明應用,還須針對發光效率、光形、散熱設計與整體使用成本等多項應用問題,持續改善LED的產品設計,讓LED照明更具實用價值,而不再只是展現環保訴求的裝飾品。

LED照明光源,因本身元件的材料特性差異,加上發光原理異於傳統照明設備,若未加處理光形與改善照明品質,欲直接以LED取代一般日常應用的光源,仍有多項限制,尤其是演色性、照明光形、照明顏色、電源轉換效率...等關鍵問題,都需要透過晶片的製程改善或是燈具的光學物理設計強化,進一步滿足一般照明的需求。

LED固態照明仍存在成本偏高問題

在實際的照明應用市場,LED固態照明本身仍存在高單價、高成本限制,想要在短時間內加速LED照明應用普及,相關業者仍須在元件成本、製作技術、驗證標準...等關鍵項目,逐一改善成本效率。

而在生產技術方面,還得讓最終產品於色溫表現、演色性和光電轉換效率進行規格強化與性能提升,同時還要改善AC-DC電源轉換、高功率驅動控制、光源散熱和光形處理等相關技術,這些都是LED照明技術能否快速普及的重要關鍵。

前面也有提到,LED照明光源的設計必須先改善照明模組的散熱設計,散熱機制的整合是LED照明產品能否維持長壽命、低光衰的關鍵。例如,採用COB LED多晶燈板,將LED晶片固定在印刷電路板之上,LED晶片可直接透過PCB接觸增加熱傳導效率,進而改善LED照明應用常見的散熱問題。

LED載板設計形式 可改善元件散熱效率

為了因應高功率、高亮度的照明應用設計,原有的PCB載版會改採金屬核心的PCB材料來增加LED元件的散熱效率,因為驅動過程所產生的熱,均可藉由PCB的金屬核心來降低熱阻抗,進而強化散熱表現。

金屬核心PCB多使用MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board)來降低載板熱阻設計,而MCPCB為求降低成本,多選用鋁為載板核心,具成本低廉、散熱能力佳及更好的抗腐蝕特性。

LED要獲得日常光源大量應用的優勢,就必須深入發展晶片的核心技術,其中影響LED元件發光特性、效率的關鍵更在其基底材料與長晶的技術差異。LED基底材料除傳統藍寶石基底之外,矽、碳化矽、氧化鋅、氮化鎵...等都是目前LED的應用重點。而薄膜晶片技術則是開發高亮度LED晶片的重點技術。

Thin film重點在減少晶粒的側向光耗損,搭配底部反射面整合,可將晶片本身97%由電產生的光輸出直接自LED正面輸出,避免光耗損,如此自然可提高LED的單位發光效率。除提高LED晶片的光電效率外,亦可透過改變晶片結構,如晶片表面粗化設計,透過多重改善電光效率製程方法,進行產品改良。

利用封裝技術 全面強化LED元件照明性能

在高功率LED封裝技術方面,可分單顆晶片封裝、多晶片整合封裝、晶片板封裝...等項目,透過改善封裝技術,則可讓LED發光效率、散熱、產品可靠度獲得全面性的改善。

單顆晶片封裝應用方面,可利用封裝來改善發光效率、散熱熱阻,或開發SMT形式量產元件,另在封裝階段還能利用螢光粉體混入封裝體的處理手段,改善LED的輸出色溫,或是控制LED的照明光色與提升照明品質。

除晶粒本身的製程或是利用封裝設計來改善之外,LED燈具的設計形式或搭配光學透鏡,皆可利用光學物理特性來改善產品品質。例如,LED搭配光學矽膠封填即可使元件具備較大的照明光束角度,而經過封裝處理的元件也能搭配二次光學透鏡強化底部反光杯的設計形式,大幅強化LED元件的光學特性。

在眾多高亮度照明用的LED設計方案中,也有採用大量LED元件利用平面排佈的形式,以數量來達到增加燈具光輸出的效果,而在LED元件封裝上也是同樣道理,將多個LED晶片1次封裝在載板平面,也是LED照明應用的常見設計方案。