Luxeon LED介紹 第4章
Luxeon 包裝的內部結構
內部構造
AlInGaP
儘管此前已對 Luxeon 包裝進行了全面的介紹，但 ? 了更深
入瞭解 Luxeon 包裝的物理限制，我們需要詳細瞭解 Luxeon
包裝的內部結構。
圖 12 是 AlInGaP Luxeon 的內部構造示意圖。 LED 晶片和降
溫片 焊 接在一起。 LED 晶片和降溫片隨後藉著金絲與包裝的
接 腳 相連。注意：要把一條金絲球 焊 點和 LED 鋼模頂部的
焊 接墊相連，而另一條金絲的球 焊 點和降溫片相連。兩條金
絲的另外一端以點 焊 方式固定在包裝的接 腳 上。注意： AlIn-
GaP Luxeon 鋼模的內部結構是不同的。對蝙蝠翼型 AlIn-
GaP Luxeon 鋼模而言，其正極位於鋼模頂部，而對朗柏型
AlInGaP Luxeon 鋼模來說，位於鋼模頂部的則是負極。因
此，降溫片在電氣上分別與蝙蝠翼型 AlInGaP Luxeon 的負極
以及朗柏型 AlInGaP Luxeon 的正極相連。
InGaN
圖 13 是 InGaN Luxeon 的內部構造示意圖。注意： InGaN 鋼
模的正極和負極連接均位於該鋼模的同一側。 LED 鋼模安
裝在一個矽晶片上。該矽晶片 ? LED 晶片提供了外部電氣
連接，同時保護 InGaN 晶片免受靜電放電 (ESD) 的傷害。
InGaN 晶片通過多個多餘的 焊 堆，與下位矽晶片連接。這個
下位矽晶片藉著鋼模粘接樹脂，與降溫片固定在一起。鋼模
粘接樹脂可以導電和導熱。該矽晶片隨後藉著金絲連接到包
裝的接 腳 。注意：這些金絲的兩個球 焊 點均與矽晶片頂部的
焊 接墊相連，而 它 們的另一端則以點 焊 方式固定在包裝的接
腳 上。
電氣特性
AlInGaP
圖 14 概 要性地顯示了 AlInGaP Luxeon 的電氣圖。當正向偏
壓時，其內部串連電阻 值 非常高，這種情況一直持續到所施
加的電壓超過導通電壓（大 概 ? 2V ）。在該電壓之上，正向
電流增加得非常快，而內部串連電阻則很低。逆向偏壓時，
串連電阻 值 非常高，這種情況一直持續到有足 夠 大的電壓使
鋼模連通（隨後將有逆向電流通過 AlInGaP 鋼模）。由於逆
向電流稍高於幾 μ A 就可能對 LED 鋼模造成永久損害，因此
不建議使用逆向工作模式。
InGaN
圖 15 概 要顯示 InGaN Luxeon I 和 III 的電氣圖。 InGaN 鋼模
同兩個背靠背的齊納二極矽管並聯在一起。這兩個背靠背的
齊納二極矽管可保護 InGaN 鋼模免受 ESD 暫態的傷害。在標
準的正向偏壓情況下有電流通過 InGaN ，因 ? InGaN 的正向
電壓 ? 3V 左右，而背靠背齊納二極體的導通電壓約 ? 7V 。
正向偏壓時， InGaN 鋼模的內部串連電阻 值 約 ? 1 歐姆。當
逆向偏壓時，內部串連電阻 值 非常高，這種情況一直持續到
背靠背的兩個齊納二極體或 InGaN 鋼模連通）。由於 InGaN
鋼模的逆向導通電壓通常大於 10V ，因此逆向電流將通過背
靠背的齊納二極體（不流經 InGaN ），如此一來就可以避免
InGaN 受到電過載的傷害。注意：降溫片在兩個背靠背齊納
二極體的中間和 它 們的正極相連。建議保持降溫片和任何外
部電路的電 絕 緣。
電過載故障
如果 Luxeon 承受的正向電流高於資料表的限制，或承受了
過高的暫態電流，則除了會加快光輸出的衰減速度外，還
可能導致災難故障。災難故障的類型取決於電過載的類型和
Luxeon 發光體的類型。電氣暫態可能 毀 壞 Luxeon 包裝中的
金絲。此外，不同的 Luxeon 鋼模類型對電氣暫態有著不同
的反應。
線路熔斷型故障
高能量的電氣暫態 / 電流也有可能破壞 Luxeon 包裝。在極高
的電流下，金絲充當了保險絲的作用。圖 17 為 典型的線路
熔斷型的災難故障。
注意：熔斷電流取決於電氣暫態的幅度和持續時間，以及金
絲的直徑。最後需要注意，如果電氣暫態的脈衝持續時間過
長，或者直流正向電流過大，則還可能導致不同類型的熱過
載故障。這些故障將在熱過載小節中進行介紹。
電過載導致的鋼模 / 晶片故障
Luxeon 所使用的不同 LED 鋼模類型對電氣暫態有著不同的
反應。
AlInGaP
AlInGaP Luxeon 通常對正向電氣暫態有抵抗力。鋼模頂部的
金屬接點可以讓電流平均分佈到結合點區域。鋼模的內部串
連電阻 值 相當低（小於 1 歐姆），因此，如果不進行外部限
流，很小的峰 值 暫態電壓就可能導致非常大的峰 值 電流通過
LED 。通過外部限流（例如使用電阻 值 比 Luxeon 內部串連
電阻 值 高許多的電阻）可以大 為 提高對正向電氣暫態的防護
能力。若要實現更好的保護，可使用有源驅動電路來吸收電
氣暫態。
另一方面，負向電氣暫態可能對 AlInGaP Luxeon 造成永久損
壞。當鋼模承受的逆向電壓高於其逆向導通電壓時，其內部
的 p-n 連接點會導通，並且將有逆向電流通過鋼模。然而，
高於幾 uA 的逆向電流就會造成 LED 鋼模局部發熱，並有可
能造成永久損害。通過在 Luxeon 陣列中串連耐高壓的矽二
極體，可以避免負極暫態的傷害。在目前可以買到超過幾百
伏特逆向導通電壓的矽二極體。
InGaN
InGaN Luxeon 通常對正向電氣暫態具抵抗能力。鋼模頂部的
金屬接點可以讓電流平均分佈到結合點區域。但是，由於鋼
模的內部串連電阻 值 相當低（小於 1 歐姆），如果不進行外
部限流，很小的峰 值 暫態電壓就可能導致非常大的峰 值 電流
通過 LED 。通過外部限流（如，使用電阻 值 比 Luxeon 內部
串連電阻 值 高許多的電阻）可以大 為 提高對正向電氣暫態的
防護能力。若要實現更好的保護，可使用有源驅動電路來吸
收電氣暫態。
InGaN Luxeon 對低能量的負極電氣暫態有抵抗能力，因 ? 此
時可藉著背靠背的齊納二極體保護 InGaN 鋼模。但我們建議
在 Luxeon 陣列中串連耐高壓的矽二極體來避免負極暫態。
在目前可以買到超過幾百伏逆向導通電壓的矽二極體。
InGaN Luxeon 同樣對 ESD 電氣暫態具有抵抗能力，並且也
通過了 16kV 人體模型測試。
熱過載故障
由於 Luxeon 包裝中的各個元件擁有不同的熱膨脹係數，因
此當內部溫度超過最大額定 值 或發生周期性的熱量變化時，
則可能導致不同類型的災難故障。如前所述，矽樹脂包裝的
耐高溫能力通常優於環 氧 樹脂包裝，這要歸功於矽樹脂的柔
軟性質。注意，過高的周圍溫度或過高的自身發熱（可能是
過大的正極電流或過大的熱阻抗所導致，例如，因 ? 和外部
降溫裝置的熱接觸不正確），可能使內部溫度急劇升高。
熱過載導致的連接線故障
Luxeon 包裝在未工作時可以承受 1,000 次以上從 – 40 ℃ 到
120 ℃ 的溫度變化。這個溫度範圍和包括了自身發熱的自動
操作溫度範圍（– 40 ℃ 到 85 ℃）大致接近。但是，更高 / 更
低的溫度會加快災難故障的發生速度。熱過載導致的最常見
故障類型是金絲斷裂。注意，雖然線路斷裂是 LED 的正常
老化機制，但過大的溫度越界會加快故障發生的速度。
線路故障鮮少發生，熱過載所導致最常見的連接線故障是點
焊 點脫落（連接線從 焊 點位置斷裂）。
熱過載導致分層
過高的溫度可能使 LED 鋼模和封膠之間出現分層，從而在該
包裝內形成狹窄的晶片 - 空氣 - 矽樹脂介面。圖 18 是 LED 鋼
模和專利的矽樹脂包裝之間的分層示意圖。這個問題通常不
會導致災難故障，但 它 可能使光輸出發生永久性的衰減。對
白色 Luxeon 而言，分層可能發生在磷塗層和專利的矽樹脂
包裝之間或 InGaN 鋼模和磷塗層之間。
鏡片黃化
如果長時間曝露在過高的周圍溫度中，尤其是濕度相當高
時，則還可能導致鏡片變黃。雖然這不會對 LED 鋼模的光
輸出造成影響，但 它 會使 Luxeon 包裝的光輸出衰減，因 ?
Luxeon 鏡片具有吸收作用。
內部錫 焊 點分離
AlInGaP
如果內部溫度過高，可能導致 AlInGaP 鋼模和降溫片之間的
錫 焊 發生迴 焊 。圖 19 是 AlInGaP 鋼模和降溫片之間的正常
錫 焊 示意圖。 焊 錫的熔點遠高於接合點的溫度上限。但是，
如果接合點溫度超過了這個熔點， Luxeon 可能發生災難性
的斷路。圖 19 顯示了熱過載太大導致錫 焊 再流從而造成
AlInGaP 鋼模鬆脫的示意圖。