掌握封裝技術 LED照明設計邁大步

　　自從白光發光二極管(led)于2000年始達到每瓦15～20流明的水平后，各國就開始積極對LED投入研發制造，而相關市場營銷、技術評鑒機構及學界，則積極對此極具未來性的產品進行譯碼，一探其奧秘及商業價值，并陸續提出負面疑問或爆炸性的前瞻預測。

　　但隨著能源短缺、地球暖化、能源材料價格上揚等因素深受各國政府重視，更加速LED的市場熱度，其二為隨著手機白色背光源于2003年被廣泛應用，隨即奠定藍光激發熒光粉產生白光LED在市場的價值，更因LED應用在車尾燈可達到快速反應、減少更換及設計上增加工業產品美學的新思維，漸漸開拓另一個市場應用契機，進而激勵相關供應鏈廠商的研發投入。

　　雖然在2003年時，LED亮度效能未能達到主照明的需求(表1)，但已逐漸讓世界注意到LED的未來性及對傳統光源的威脅性。

表1　OIDA對于2002～2020年LED效能預估

　　依照美國光電子工業協會(OIDA)的預測推估，即使LED已達到10美元/每千流明，但對于整組燈泡或燈具要達成10美元/每千流明仍相去甚遠，尤其加入演色性(CRI)的需求，光源的效能和市場價格將為供應鏈廠商必須共同解決的一大課題。

　　雖然LED的應用極為廣泛，且各個應用產業會面對不同程度的技術問題，在此僅就照明應用方面提出設計解決方向，以加速LED照明產業整合開發的質量與速度。

　　LED燈具供貨商主導產業規格

　　要成功開發一款LED照明產品所須注意的事項相當繁瑣而復雜，三至五人的貿易公司或許能帶來營業利潤，但在世界規范一一制定出爐后，亦拉高進入門坎，同時篩選掉體質不佳的應用小廠，更甚至因為達到普及化的成本結構，使LED照明逐漸朝專業技術和專業代工制造的領導廠商集中。

　　現今的主要客戶更加致力于探究上游材料、技術深度及整合能力，以做為評估的標準。對于各階段開發的技術深度及廣度，將會是2009～2012年成功邁入LED照明必須完備的工作，因為標準尚未完備，市場的需求決定在供貨商能夠提供的解決方案。

過半效率取決芯片與封裝制程搭配效率

　　有關芯片開發，從覆晶(Flip Chip)式芯片如飛利浦，垂直(Verticle)式芯片如Cree、SemiLEDs，正負極呈階梯平面式焊線，完全平面式焊線如日亞(Nichia)、豐田合成(TG)、晶元光電等；再加上粗糙面(Roughness)結構位置，以及形成的方式不同，皆或多或少影響出光效率、出光角、熱傳導、節點(Tj)溫度、固晶材料、固晶方式、硬力拉力推力、焊線參數及結構設計的專利問題。是否了解芯片跟后續封裝制程間的關系，決定LED照明產品一半以上的良率，開發LED照明應用就必須了解細部差異，以做為設計上的判斷依據，目前沒有哪家LED芯片最好，只有最適合的LED芯片才能夠達到市場需求的優化。

　　多重因素影響LED封裝性能

　　至于封裝開發，在固定單一型式芯片下，眾多影響因子決定封裝完LED組件的性能、可靠度、壽命是否能禁得起市場考驗，其中包括：

　　?承載基板的設計選擇

　　金屬支架、FR4 COB(Chip on Board)型式、低溫共燒氧化鋁陶瓷、高溫氧化鋁、氧化鋁基板加金屬銀塊或銅塊(Slug)、氮化鋁基板、鋁基板、銅基板、復合機板等材料差異，包括上述材料的機械結構對光、環境(如濕氣溫度等)結合力之間的相互作用關系。

　　?光相關的制程設計

　　固晶焊線區域位置，尺寸的設計，固晶焊線區域，固晶方式(硅絕緣膠、銀導熱膠、助焊劑、共金焊接等)，以及周邊材質如金、銀、銅、鋁、鈀銀、鈀金、高耐熱塑料(PPA)、硅等，封裝膠體(黏稠度、折射率、耐溫耐候性與相鄰材料接著力等)。

?熒光粉的多重混用、波長搭配、濃度搭配、涂布方式、操作時間及沉淀控制。

?色溫/電壓/亮度/演色性分布

　　均會影響出光效率、壽命、質量等，然而不同芯片的選用會使所有影響因子勢必全部或部分重新再做評估。

　　光源組件設計與選擇不可輕視

　　圖2　產品機構及模具組裝3D建構須充分了解LED光源特性、光機電熱，加上計算機對光熱仿真分析，才能確保可靠度和效能。

就LED照明而言，到此才決定LED光源組件(圖1)，接下來還要面對：二次光學透鏡、反射鏡的設計，達到照明在不同應用需求的光型、光強分布或光學組件材料對環境造成光衰、裂化的考慮。此外，模塊設計加上電路、電子控制設計、定電流源、調光模塊、DMX系統控制模塊、部分熱傳導設計、部分機構設計、組立設計等，必須達到客戶功能性的要求，同時對LED光源組件不至于造成加速破壞的條件存在。最后則為熱傳導(Thermal Conductivity)熱硬力及散熱設計(Thermal Management)，在模塊端力求降低LED節點溫度，均勻快速的將熱集中區分散到各個面，另外則包括安規等絕緣設計考慮。

　　燈具設計決定市場定位和獲益

　　燈具部分包含工業、機構、模具、散熱、產品組立、工業防塵防水等級、安規設計考慮及包材等設計。

　　以上細節環環相扣，相互影響最終的產品屬性、質量及價格，也決定產品的市場區隔、壽命、利潤結構及產業遠景。

　　LED照明產品設計須按部就班

　　以照明環境型式而論，可分為直接、半直接、間接、半間接和漫射照明。而以區域區分，可分為建筑、居住、室內及室外四區；再細部又可分庭院、外墻、客廳、餐廳、浴室、廚房、樓梯等。至于商業又分工作區、展示區、儲藏區、裝飾等。

　　無論哪一區、哪一型，在過去數十年到百余年歷史中，并未有一家獨大的情況，由于各個區域所對光的需求也不盡相同，所以對于LED照明設計而言，在找到企業強項后，須審慎選擇評估適合的，而非最好或最貴的LED光源，以此光源做為設計的基礎來開發適合市場使用需求，或便于掌握營銷的照明產品。

　　以目前LED封裝組件量產的發光效率在每瓦90～100流明之譜，當然每瓦120流明或150流明已非難事，只要降低驅動電流提升光熱轉換效率就能達到，而市場與成本的關系，才是未達量產的原因。換言之，目前標準或額定電流操作下的光電轉換效率約在30%，而約略70%仍轉換為熱，因此熱傳導及散熱為現階段亟待突破的瓶頸。在照明產品應用面，個別光源產品在各時間階段所面臨的技術問題就是需要各個專業領域人才去一一限時研究解決。照明產品設計時間考慮約可分為直接替換的燈泡與高整合性的照明產品，說明如下：

　　縮減直接替換LED燈泡價格為首要之務

　　直接替換燈泡如MR16、GU10、E27投射或泛光型燈泡PAR30、PAR38(表2、3)、AR111等較大型燈泡，LED產生的熱，加上變壓或恒流驅動電源模塊所發出的熱，在有限尺寸散熱面積下，使得小型投射燈泡無法跨越5瓦、300流明門坎；中大型投射燈泡，如帕(PAR)燈等無法跨越13瓦的門坎。相較于傳統光源，小型LED燈泡有十倍至數十倍的市場價差，而中大型LED燈泡則有數