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改變封裝技術可讓LED照明可靠性大增

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? ? ?隨著藍光和白光發(fā)光二極管(LED)在1990年大舉邁向?qū)嵱没A段后,無論是利用LED所進行的全彩顯示,或是在近年來社會大眾對節(jié)能議題所展現(xiàn)的高度重視下,LED所普及到的智能手機、個人電腦(PC)、電視背光、照明、白色家電產(chǎn)品或交通號誌等多樣化的產(chǎn)品應用領域愈來愈廣。為滿足市場需求,業(yè)界針對各種產(chǎn)品系列,包括能夠?qū)崿F(xiàn)高演色性與高可靠性的照明用LED、以PICOLED為代表產(chǎn)品的小型薄型LED,以及車用客製化色彩LED等傾注了相當?shù)难邪l(fā)資源。


  照明用白光LED產(chǎn)值急速成長


  受到世界節(jié)能趨勢以及日本東北大地震所引發(fā)的節(jié)能意識高漲,日本市場對于照明用白光LED的需求量大增,促使LED照明市場產(chǎn)值正不斷急遽成長,然而,若要讓照明光源完全從傳統(tǒng)的白熾燈泡照明方式轉(zhuǎn)換為LED照明,在產(chǎn)品特性上仍有些亟待解決的問題存在,其中,業(yè)界研發(fā)重點尤以LED燈的高演色性與高可靠性為主,以下將分別就業(yè)者針對高Ra值與發(fā)光效率的技術做分享。


  兼顧高Ra值與發(fā)光效率


  平均演色性評價指數(shù)(Ra)就是光源使物體表現(xiàn)或重現(xiàn)真實顏色的一種指數(shù),指數(shù)愈高,代表顏色重現(xiàn)性愈佳(太陽光的Ra為100),市場上期盼照明用白光LED能夠兼具高發(fā)光效率與高演色性(Ra≧80),但發(fā)光效率與Ra值兩者之間卻存在著效益權衡(Trade-off)特性。由于市場上對于發(fā)光效率有更高的要求,因此目前市場上多為Ra≒70的高發(fā)光效率LED。


  一般白光LED燈的封裝結(jié)構是將藍光LED晶片安裝在基板上,再以含有螢光體的樹脂進行封裝。在LED元件的發(fā)光色(藍色)與螢光體的發(fā)光色(黃色、紅色或綠色等)混合后,便會形成白光。


  從發(fā)光效率的觀點上來看,一般大多以藍光+黃光來形成白光,但這樣會造成紅光的重現(xiàn)性不佳,因此不適合照明用途。一般所採用的解決方法就是增加紅光的成分,藉此改善紅光的重現(xiàn)性,但如此會有導致發(fā)光效率不理想的問題。


  為兼顧高發(fā)光效率與高Ra值,業(yè)者將螢光體有效率地配置于封裝內(nèi)部,以兩全其美的技術做為解決對策,成功地研發(fā)出Ra≧80且發(fā)光效率極高的產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品無論在Ra或R9(紅色)指數(shù)上的表現(xiàn)均十分良好,與Ra值相同的其他廠牌產(chǎn)品相較之下,該系列產(chǎn)品的R9值更高,紅色的重現(xiàn)性也更佳。隨著此項技術的突破,LED燈不但能降低色度的不均,還能因應更細緻的色度等級。


  高可靠度


  近年來,市場上對于可靠性的相關需求也變得日益高漲。尤其是由于LED封裝反射率較高,一般大多採用鍍銀的方式,不過銀會因為硫化(因與硫磺產(chǎn)生反應而變黑的一種現(xiàn)象)而造成LED光束劣化,該現(xiàn)象對于戶外LED燈造成嚴重問題,因此各家廠商莫不提出各種鍍銀方案的因應對策,但目前此問題仍無法完全獲得改善。


  有鑑于此,業(yè)界捨棄鍍銀方式,改採鍍鎳/鍍金的方式。將LED封裝鍍銀改為鍍鎳/鍍金后,雖然會導致成本增加,并因反射率的降低而造成發(fā)光效率不佳,但經(jīng)由封裝結(jié)構的改善后,目前這些問題都已成功地被克服。


  新封裝結(jié)構既能維持高發(fā)光效率,又能實現(xiàn)高可靠性的LED發(fā)光表現(xiàn),該系列產(chǎn)品即使在硫化試驗中也展現(xiàn)出絕佳的表現(xiàn),可完全避免光束劣化的現(xiàn)象。


  LED小型/薄型化


  隨著行動裝置體積輕薄短小化,市場上對于小間距產(chǎn)品的需求逐年強烈,零件也面臨著更多降低高度及縮小尺寸之要求。此外,由于戶外全彩顯示裝置大多採用LED,為提高表現(xiàn)效果,全彩型LED封裝亦朝向更高密度發(fā)展。


  以ROHM為例,其自1996年開始生產(chǎn)SMD型LED以來,每年不斷地朝向產(chǎn)品小型與薄型化邁進,2007年成功地展開世界最小最薄產(chǎn)品-1006(0402英吋(inch))(t=0.2毫米(mm))尺寸「PICOLED系列」量產(chǎn),目前更成功地研發(fā)出0603(0201英吋)尺寸的「PICOLED-mini」。


  元件技術


  為讓封裝更小、更薄,內(nèi)部的LED元件也必須同時採用小型薄型規(guī)格。因此,業(yè)者從晶圓上的發(fā)光層成膜到晶片化均採用自行研發(fā)的製程技術,終于成功地將磷化鋁鎵銦(AlGaInP)發(fā)光LED的元件尺寸縮小至邊角0.13毫米(mm)、厚度t=50微米(μm),一舉實現(xiàn)小型化目標。


  鑄模技術


  為確保產(chǎn)品的強度,業(yè)者提出針對半導體元件進行樹脂封止的加工方法。樹脂封止加工係採用移轉(zhuǎn)成形(TransferMold)法,但鑄模模具的模穴會愈來愈?。Qê穸?.10毫米),因此必須確保樹脂的流動性。此外,為確保LED的光學特性,無法對其添加用來確保零件強度的填充材料,如此一來,便會造成產(chǎn)品在機械性強度上的降低,但上述問題目前皆已解決。


  組裝技術


  在LED晶片的製作上,必須在厚度t=0.10毫米的封止樹脂中對LED元件進行焊線,因此業(yè)者採用自行研發(fā)的焊線機,成功縮小間距并降低迴路。


  目前,世界最小的超小型LED體積僅1006尺寸,厚度僅0.2毫米,此產(chǎn)品不受設置空間的限制,并採用高亮度LED元件,透過LED發(fā)光,能夠讓光線從行動電話的外殼內(nèi)部進行穿透照明。


  不但如此,超小型LED還可適用于點矩陣顯示器。傳統(tǒng)的1608尺寸產(chǎn)品最小間距為2毫米,而超小型LED卻能以最小間距1.5毫米進行高密度安裝,因此能展現(xiàn)出更細緻的表現(xiàn)效果。


  在其他特色方面,由于該方案的封裝尺寸極小,因此可以用在七段顯示器、點矩陣顯示器模組上,并省略在晶片直接封裝(COB)技術上所必須的晶粒黏著(Die-bonding)、焊線、樹脂接合(Bonding)等製程。


  車用LED照明受矚目


  隨著LED燈泡及照明用途急速普及化,車用LED照明較以往更受到市場的青睞。在車輛內(nèi)裝用途上,無論是汽車音響、汽車導航系統(tǒng)或是空調(diào)面板等主要背光,目前幾乎已全面採用LED光源。接下來,像是目前仍採用傳統(tǒng)燈泡的室內(nèi)燈及警示燈,以及採用冷陰極管的儀表板背光等也將漸漸地面臨汰換的命運。


  在車輛外裝上,近年來像是尾燈、轉(zhuǎn)向燈、定位燈等傳統(tǒng)燈泡也已逐步被汰換,甚至連頭燈也都由傳統(tǒng)的鹵素燈、高亮度放電(HID)燈轉(zhuǎn)而被LED燈所取代。若從環(huán)境辨識性的觀點上來看,採用LED燈作為晝行燈(Daytime Running Lamps,DRL)的趨勢更是值得關注。


  為因應多樣化的車用需求,業(yè)界在車用LED技術研發(fā)上,將以下列兩項為研發(fā)重點。


  色度及亮度之客制化需求


  在汽車內(nèi)裝方面,像是空調(diào)面板等儀表板周邊的光源大多由車廠來指定顏色。業(yè)者所推出的磷化鋁鎵銦元件型LED系列產(chǎn)品,挾元件自製優(yōu)勢,無論是色彩、光度皆可依客戶要求自行客製化。


  其他像是利用氮化銦鎵(InGaN)及含有螢光體的樹脂所成功創(chuàng)造出的白光及粉色LED系列,也能提供色彩客製化功能。像是主要按鍵的背光等使用頻率較高的按鍵,即可藉由微妙的顏色差異突顯其與相鄰按鍵之相異性,藉此喚起使用者的注意。這種磷化鋁鎵銦元件採用在磊晶成長(Epitaxial Growth)階段上抑制波長差異的技術,因此能夠滿足客戶嚴格的規(guī)格要求。


  研發(fā)耐硫化對策/擴充新品


  另一方面,市場對于尾燈等車輛外裝用途的LED燈最大要求莫過于耐熱性及對嚴苛氣候的耐受性,但由于傳統(tǒng)的LED封裝的導線架為鍍銀材料,容易產(chǎn)生硫化及光束劣化問題,目前這個問題也開始受到重視。


  鑒于此,業(yè)界改鍍鎳/鍍鈀/鍍金做為導線架材料,成功解決因硫化所造成的光束劣化問題。另外,對于鍍鎳/鍍鈀/鍍金所引起的光度降低缺點,業(yè)者亦研發(fā)出新的一系列產(chǎn)品,藉由提高元件本身輸出效率的方式來解決,展現(xiàn)出毫不遜于鍍銀產(chǎn)品的光束強度。未來,業(yè)界將採鍍鎳/鍍鈀/鍍金做為封裝硫化改善對策,并積極擴充新的產(chǎn)品系列,以滿足客戶的多樣化需求。

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