高功率白光 LED 的應用分析
編者按： 就今天而言，白光 LED 仍舊存在著發光均一性不佳、封閉材料的壽命不長，而無法發揮白光 LED 被期待的應用優點。但就需求層面來看，不僅一般的照明用途，隨 著手機、 LCD TV 、汽車、醫療等的廣泛應用積極的出現，使得最合適開發穩定白光 LED 的技術研究成果也就相當的被關心。
■藉由提高晶片面積來增加發光量
期望改善白光 LED 的發光效率，目前有兩大方向，就是提高 LED 晶片的面積，也就是說，將目前面積為 1m ㎡的小型晶片，將發光面積提高到 10m ㎡的以上，藉此增加發光量，或把幾個小型晶片一起封裝在同一個模組下。
雖然，將 LED 晶片的面積予以大型化，藉此能夠獲得高多的亮度，但因過大的面積，在應用過程和結果上也會出現適得其反的現象。所以，針對這樣的問題，部分 LED 業者就根據電極構造的改良，和覆晶的構造，在晶片表面進行改良，來達到 50lm/W 的發光效率。
例如在白光 LED 覆晶封裝的部分，由於發光層很接近封裝的附近，發光層的光向外部散出時，因此電極不會被遮蔽的優點，但缺點就是所產生的熱不容易消散。
而並非進行晶片表面改善後，再加上增加晶片面積就絕對可以一口氣提升亮度，因為當光從晶片內部向外散射時，晶片中這些改善的部分無法進行反射，所以在取光上會受到一點限制，根據計算，最佳發揮光效率的 LED 晶片尺寸是在 7m ㎡左右。
■ 利用封裝數個小面積 LED 晶片 快速提高發光效率
和大面積 LED 晶片相比，利用小功率 LED 晶片封裝成同一個模組，這樣是能夠較快達到高亮度的要求，例如， Citizen 就將 8 個小型 LED 封裝在一起，讓模組的發光效率達到了 60lm/W ，堪稱是業界的首例。
但這樣的做法也引發的一些疑慮，因為是將多顆 LED 封裝在同一個模組上，所以在模組中必須置入一些絕緣材料，以免造成 LED 晶片間的短路情況發生，不過，如此一來就會增加了不少的成本。
對此 Citizen 的解釋是，事實上對於成本的影響幅度是相當小的，因為相較於整體的成本比例，這些絕緣材料僅不到百分之一，並因可以利用現有的材料來做絕緣應用，這些絕緣材料不需要重新開發，也不需要增加新的設備來因應。
雖然 Citizen 的解釋理論上是合理的，但是，對於較無經驗的業者來說，這就是一項挑戰，因為無論在良率、研發、生產工程上都是需要予以克服的。
當然，還有其他方式可達到提高發光效率的目標，許多業者發現，在 LED 藍寶石基板上製作出凹凸不平坦的結構，這樣或許可以提高光輸出量，所以，有逐漸朝向在晶片表面建立 Texture 或 Photonics 結晶的架構。
例如德國的 OSRAM 就是以這樣的架構開發出「 Thin GaN 」高亮度 LED ， OSRAM 是在 InGaN 層上形成金屬膜，之後再剝離藍寶石。這樣，金屬膜就會產生映射的效果而獲得更多的光線取出，而根據 OSRAM 的資料顯示，這樣的結構可以獲得 75 ％的光取出效率。
▲逐漸有業者利用覆晶的構造，來期望達到 50lm/W 的發光效率，由於發光層很接近封裝的附近，發光層的光向外部散出時，因此電極不會被遮蔽。（資料來源： LEDIKO ）
當然，除了晶片的光取出方面需要做努力外，因為期望能夠獲得更高的光效率，在封裝的部分也是必須做一些改善。事實 上，每多增加一道的工程都會對光取出效率帶來一些影響，不過，這並不代表著，因為封裝的制程就一定會增加更高的光損失，就像日本 OMROM 所開發的平面光 源技術，就能夠大幅度的提升光取出效率，這樣的結構 OMROM 是將 LED 所射出的光線，利用 LENS 光學系統以及反射光學系統來做控制的，所以 OMROM 稱之為「 Double reflection 光學系統」。
利用這樣的結構，可將傳統炮彈型封裝等的 LED 所造成的光損失，針對封裝的 廣角度反射來獲得更高的光效率，更進一步的是，在表面所形成的 Mesh 上進行加工，而形成雙層的反射效果，這樣的方式，事實上是可以得到不錯的光取出效率 控制的。因為這樣的特殊設計，這些利用反射效果達到高光取出效率的 LED ，主要的用途是針對 LCD TV 背光所應用的。
■ 封裝材料和螢光材料的重要性增加
但如果期望用來作為 LCD TV 背光應用的話，那麼需要克服的問題就會更多了，因為 LCD TV 的連續使用時間都是長達數個小時，甚至 10 幾個小時，所以，由於這樣長時間的使用情況下，拿來作為背光的白光 LED 就必須擁有不會因為連續使用而產生亮度衰減的情況。
目前已發表的高功率的白光 LED ，它的發光功率是一個低功率白光 LED 亮度的數十倍，所以期望利用高功率白光 LED 來代替螢光燈作為照明設備的話，有一個必須克服的困難就是亮度遞減的情況。
例如，白光 LED 長時間連續使用 1W 的電力情況下，會造成連續使用後半段時間的亮度逐漸降低的現象，當然，不是只有高功率白光 LED 才會出現這樣的情況， 低功率白光 LED 也會存在這樣的問題，只不過是因為，低功率白光因為應用的產品不同，所以，並不會因此特別突顯出這樣的困擾。
使用的電流愈大，當然所獲得的亮度就愈高，這是一般對於 LED 能夠達到高亮度的觀念，不過，因為所使用的電流增加，因此所帶來的缺點是，封裝材料是否能夠承受這樣的長時間的因為電流所產生的熱，也因為這樣的連續使用，往往封裝材料的熱抵抗會降到 10k/w 以下。
高功率 LED 的發熱量是低功率 LED 的數十倍，因此，會出現隨著溫度上升，而出現發光功率降低的問題，所以在能夠抗熱性高封裝材料的開發上，就相對顯的非常重要。
或許在 2030lm/W 以下的 LED ，這些問題都不存在，但是，一旦面臨 60lm/w 以上的高發光功率 LED 的時候，就不得不需要想辦法解決的，因為，熱 效應所帶來的影響，絕對不會僅僅只有 LED 本身，而是會對整體應用產品帶來困擾，所以， LED 如果能夠在這一方面獲得解決的話，那麼，也可以減輕應用產品 本身的散熱負擔。
因此，在面對不斷提高電流情況的同時，如何增加抗熱能力，也是現階段的急待被克服的問題，從各方面來看，除了材料本身的問題外，還包括從晶片到封裝材料間的抗熱性、導熱結構、封裝材料到 PCB 板間的抗熱性、導熱結構，及 PCB 板的散熱結構等，這些都需要作整體性的考量。
例如，即使能夠解決從晶片到封裝材料間的抗熱性，但因從封裝到 PCB 板的散熱效果不好的話，同樣也是造成 LED 晶片溫度的上升，出現發光效率下降的現象。 所以，就像是松下就為瞭解決這樣的問題，從 2005 年開始，便把包括圓形，線形，面型的白光 LED ，與 PCB 基板設計成一體，來克服可能因為出現在從封裝 到 PCB 板間散熱中斷的問題。
不過，並非所有的業者都像松下一樣，把封裝材料到 PCB 板間的抗熱性都做了考量，因為各業者的策略關係，有的業者以基板設計的簡便為目標，只針對 PCB 板的散熱結構進行改良。
有相當多的業者，因為本身不生產 LED 的關係，所以只能在 PCB 板做一些研發，但僅此於止還是不夠的，所以需要選擇散熱性良好的白光 LED 。能讓 PCB 板 上的用金屬材料，能與白光 LED 封裝中的散熱槽緊密連接，完成讓具有散熱槽設計的高功率白光 LED 與 PCB 板連接，達到散熱的能力。
不 過，這樣看起來好像只是因為期望達到散熱，而把簡單的一件事情予以複雜化，到底這樣是不是符合成本和進步的概念，以今天的應用層面來說，很難做一個判斷， 不過，實際上是有一些業者正朝向這方面做考量，例如 Citizen 在 2004 年所發表的產品，就是能夠從封裝上厚度為 23mm 的散熱槽向外散熱，提供應用 業者能夠因為使用了具有散熱槽的高功率白光 LED ，能讓 PCB 板的散熱設計得以發揮。
■ 封裝材料的改變 提高白光 LED 壽命達原先的 4 倍
當然發熱的問題不是只會對亮度表現帶來影響，同時也會對 LED 本身的壽命出現挑戰，所以在這一部份， LED 不斷的開發出封裝材料來因應，持續提高中的 LED 亮度所產生的影響。
過去用來作為封裝材料的環氧樹脂，耐熱性比較差，可能會出現的情況是，在 LED 晶片本身的壽命到達前，環氧樹脂就已經出現變色的情況，因此，為了提高散熱性，而必須讓更多的電流獲得釋放，這一個架構這是相當的重要。
除此之外，不僅因為熱現象會對環氧樹脂產生影樣，甚至短波長也會對環氧樹脂造成一些問題，這是因為白光 LED 發光光譜中，也包含了短波長的光線，而環氧樹 脂卻相當容易被白光 LED 中的短波長光線破壞，即使低功率的白光 LED 就已經會讓造成環氧樹脂的破壞，更何況高功率的白光 LED 所含的短波長的光線更多， 那麼惡化自然也加速，甚至有些產品在連續點亮後的使用壽命不到 5,000 小時。
所以，與其不斷的克服因為舊有封裝材料－環氧樹脂所帶來 的變色困擾，不如朝向開發新一代的封裝材料，或許是不錯的選擇。目前在解決壽命這一方面的問題，許多 LED 封裝業者都朝向放棄環氧樹脂，而改采了矽樹脂和 陶瓷等作為封裝的材料，根據統計，因為改變了封裝材料，事實上可以提高 LED 的壽命。
就資料上來看，代替環氧樹脂的封裝材料－矽樹脂，就具有較高的耐熱性，根據試驗，即使是在攝氏 150180 度的高溫，也不會變色的現象，看起來似乎是一個不錯的封裝材料。
因為矽樹脂能夠分散藍色和近紫外光，所以與環氧樹脂相比，矽樹脂可以抑制材料因為電流和短波長光線所帶來的劣化現象，而緩和的光穿透率下降的速度。
所以，以目前的應用來看，幾乎所有的高功率白光 LED 產品都已經改采矽樹脂作為封裝的材料，例如，因為短波長的光線所帶來的影響部分，相對於波長 400450nm 的光，環氧樹脂約在個位的數百分比左右，但矽樹脂對 400450nm 的光線吸收卻不到百分之一，這樣的落差，使得在抗短波長方面，矽樹脂 有著較出色的表現。
▲ OSRAM 「 Thin GaN 」是在 InGaN 層上形成金屬膜，之後再剝離藍寶石。這樣，金屬膜就會產生映射的效果而可以獲得 75 ％的光取出效率。（資料來源： OSRAM ）
所以，就壽命表現度而言，矽樹脂可以達到延長白光 LED 使用壽命的目標，甚至可以達到 4 萬小時以上的使用壽命，但 是，是不是真的適合用來做照明的應用就還有待研究，因為矽樹脂是具有彈性的柔軟材料，所以在封裝的過程中，需要特別注意應用的方式，而來設計出最適當的應 用技術。
對於未來應用的方面，提高白光 LED 的光輸出效率將會是決勝的關鍵點。白光 LED 的生產技術，從過去的藍色 LED 和黃色的 YAG 螢光體的組合，開發出類比白光的目標，到利用三色混合或者使用 GaN 材料，開發出白光 LED ，對於應用來說，已經可以看的出將會朝向更廣泛的方向擴 展。
另外，白光 LED 的發光效率，這些年已經有了不錯的的發展，日本 LED 照明推進協會目標是，期望能夠預計在 2009 年達到 100lm/w 的發光效率，而事實上，有相當多的業者都在朝向這方面開發，所以預計在數年內， 100lm/w 發光效率就能夠實際上商業化應用。