封装技术与材料推动LED发光效能
|
上传人：admin 上传时间： 2007-02-08 浏览次数： 146 |
LED照明的革命性变迁，就像真空管到晶体管，及CRT到Flat Panel Display是革命性的突破一样，照明从1980年开始是一个很大的革命，自1830年爱迪生发明灯泡，到目前为止，大部分还是气体放电，将近100多年，一直没有太大的改变，虽然效率有所提升，但在基本的材料技术上并没有多太多的变化，但是在固态照明（Solid State Light）出现后，才是照明技术真正的革命性的突破，所以看待固态照明这样的变化，就像晶体管及Flat Panel Display都是跨革命的成就。
因为技术与材料的突破，整个照明产业慢慢的起了微妙的变化。在过去，提到照明组件业者，大家会想到GE、欧司朗（OSRAM）、飞利浦等，这些都是生产照明组件相当大的业者之一，但是固态照明被开发出来后，产业就出现一些改变，例如，飞利浦（Philips）和Aglent合资成立了Lumileds，而Osram就成立了Osram照明等新公司慢慢向半导体产业倾斜。
■2007年高亮度LED市场规模将达到1,200亿
全球2005年LED市场规模大概在新台币1,700亿元左右，可见光（Visible）LED的市场比例大约占了68％，另外的32％的市场比例属于红外光。2003年2007年间，红外光的市场年平均规模约在新台币500600亿元左右，但可见光的市场规模，因为高亮度的成长，将会从2003年的928亿元成长到2007年的1,500亿元，而整个Growth Rate的部分，可见光 LED 5年年平均大概是在12％左右，Infrared则是相当稳定的维持在5％，整体LED的市场成长率约在10％左右（图一）。
▲图一：20032007 LED市场成长预测。
在市场中成长幅度最大的是属于高亮度（High Brightness）LED，在2004年的1,600亿元市场规模中，高亮度LED的部分大约为800亿元左右，预计到2007年的时候，将成长到1,200亿元的市场规模。
目前一般对于高亮度的定义，仍旧是指发光亮度在8流明以上、以4元发光材料生产的LED，例如AlGaInN、GaN等，每年平均成长率（Average Growth Rate）大概是在14％左右，另外，在一般亮度的LED市场成长的部分，预计在未来将维持相当平稳300亿元规模的市场规模，不容易有大幅度成长或衰退的情况。
Mobile phone是带动高亮度 LED成长的一个重要动力，从20032005年，高亮度LED有相当大成长在Mobile phone这个应用上应用，目前手机上的背光源及按键灯源大多都是使用高亮度LED。
不过，到2005年为止，高亮度 LED在手机上的应用已经到了一个成长瓶颈，由于LED的发光效率愈来愈高，所以，未来使用的LED的数量反而会越来越少，甚至价格也越来越激烈。在应用用途上，除了会因为照相功能而增加一个闪光用LED以外，基本上市场的规模已经到了饱和的程度，预计2005年约为450亿元，与2004年相差无几，相信未来这两年不会有太大的变化（图二）。
▲图二：HB LCD将呈现巨幅成长态势。
对于未来的发展，大多数人最看好、成长速度最快的应该是车用市场，不过，以目前的应用状况来看至少还需要二、三年才能普及到整个市场。现在整体使用LED为光源的大概还是概念车，但基本上，就发展的趋势来看，从汽车的内装到外部灯源在未来将是很大的一块市场（图三）。
▲图三：HB LED市场成长预测。
■高亮度LED将抢占白热灯泡照明市场
对于白光High Power LED来说，照明市场将会是非常大的一个市场，预计在35年后达到一个产业规模，预估 2005年的照明市场规模，约在130亿美元（新台币4,000亿元）左右，虽然白光High Power LED的5年市场规模总额达到了4亿美元（新台币120亿元），但是相对于整个照明的市场来说，还是非常的小。
以发光亮度及效率来看，虽然LED的效率是高于白热灯泡（白热灯泡大概810流明／瓦），但是，就发光亮度来看还是低于荧光灯或者卤素灯。不过，单纯Replace白热灯的市场就已经是一个相当大的市场，2005年全球总规模约130亿美元的照明市场中，白热灯泡的比例约占了27％白热灯泡，所以在照明的这一项应用中，白光High Power LED是有相当的市场发展空间（图四）。
▲图四：全球照明市场成长预测。
而就灯源的取代角度来看，以目前LED的技术以及价格情况，在10流明／瓦以下的应用，LED有立即取代的条件，例如红绿灯、小型灯泡等等的应用。
■2007年预计可降到0.02美元／流明
从（图五）可以看出LED成本与发光效率的演变，在过去20年中LED的发光效率一直维持很稳定且快速的进步，而在流明价格比的方面，也是维持在一定的减低速度，以2005年来讲，大约0.2美元／流明，2006、2007年预计可以降到0.02美元／流明，如果期望应用在照明市场，最终降到0.01美元／流明，在未来的几年内是很有可能的，在中国大陆是以节能为目标也极力的在推动LED的照明，目标在2007年达到0.02美元／流明。所以可以说，价格是技术进步的原动力，因为技术永远比不上价钱上的压力。
▲图五：LED价格流明比与亮度发展趋势。
就市场的竞争力而言，流明价格比降低的速度越快越好，但是要如何去做到，这是有相当多的门坎存在，核心技术还是在LED封装上面，虽然现在LED封装制程已经是相当成熟了，但是，因为价格这样的驱动力量，使得LED的封装包括材料等等都需要再做革命。
长久以来，LED封装的制程没有太大的转变，其实材料是很大的一个因素，因为封装材料一直没有革命性的突破。但是，在面对多样化应用的今天，LED封装材料已经开始进行一些改善。
■热处理是LED封装的关键
LED的亮度部分，材料是相当重要的一个关键，不管是Epitaxy或芯片，先天上已经决定了LED 50％的亮度，而另外的50％就会取决在LED的封装技术及封装材料。对于LED封装来讲，大家所追求的是怎样把一个LED封装流明数做得越大越好？
经过封装的过程，一个LED能达到几百个流明，这基本上不是一个很大的问题，主要的问题是如何去处理散热，然后接下来，在产生这么大的流明后，如何维持他的流明，这又是另外一个问题，如果热处理（Thermal Management）没有做好的话，LED的亮度和寿命下降的会很快，所以对于LED来说，如何做到有效的可靠度和Thermal Management，是非常重要。
因为手机应用市场的原因，这两年台湾高亮度LED发展的非常快，这是因为手机的应用要求不是很高，所以，以今天台湾的封装技术而言，在手机上的应用还是足以负荷的，但是，在未来面对户外看板、车用外部灯源，这对台湾的LED封装业者来说就是一个很大的挑战，所以，从这方面来看，国外的LED大厂，在技术上还是有一些领先的地位。
■如何去消除因为追求高亮度所产生的Thermal
在LED的PN Junction中，光的效率越高，相对的热产生就会越少，但是很不幸的，大部分光的取出效率只有2030％，其它部分都变成热了，Thermal Resistance Management是怎样从Junction中所产生的热送到LED封装中的Pad，对于高取光效率封装来说是很重要的一件事。
而在这个过程中，怎么样去消除LED的Temperature，不要造成太大的Thermal效应，对于LED封装来讲，基本上都是在做Thermal的Conduction。而如何把Junction Temperature能够降低（因为对半导体来讲最致命的就是Thermal），这是一个重要的课题。
目前所有的LED封装材料都是树脂，树脂1玻璃转化温度约在100120℃左右，在Maintain Junction Temperature时，最好不要超过100℃，如果超过110120℃，那么这样的封装就会有一些risk。
最近有一些新的封装观念和技术出现，例如Lumileds的Luxeon第二代k2，比LuxeonⅠ大幅提高了光功率。透过改量芯片，将光效能提高了1030％。而在温度的方面将Junction Temperature由135℃提高至185℃。对材料的概念会被颠覆，所以说树脂是不是最佳的LED封装材料呢？在面对未来的应用环境及产品，还有相当多可以讨论的地方，其实在整个LED封装里面，如果可以利用玻璃或是其它材料的话，Junction Temperature还可以再做更好的控制。
怎么去降低热阻抗？实际上Flip芯片的封装方式是一个很好的方式和例子，AlGaInP是一个非常不好的热导体，差不多大概只有35℃左右而已，而GaN是一个比较好的热导体，大概有200℃左右，利用Flip芯片的封装方式可以把Thermal降到更低。在（图六）中可以看到，红色的部分就是LED部分，大概有83℃左右的Junction Temperature，其实比较好的Thermal Solution还可以加上一片薄膜，例如加上一个Heat Sink。
▲图六：InGaN芯片利用Flip Chip方式封装下温度分布图。
而封装业者就需要增加这样的Solution给系统厂商，然而，对于这片Heat Sink如何去做optimum design，怎么去改变他们的形状、高度、厚度，得到一个最佳的状况？都可以利用软件去做simulation。其实有一个不变的概念就是把Temperature Grading越均匀越好。升降的幅度不要过大，如果没办法很均匀的分散到LED封装结构上去，Grading如果比较大将会造成Junction Temperature比较高。
■Optics是相当重要的一环
另一方面，还需要考量如何在机构的部分如何愈做愈准，在过去，LED拿来作为Indication的应用时，亮度稍微差一点或暗一点并不会有太大的关系，但是以后用到照明或背光源的话，就必须做得非常准确，不然将会严重影响到显示器的显示能力与品质。
整个LED封装里面，Optics的考量与设计是相当重要的一环（图七）。光在面对障碍物时有两种状态，一种是透析，一种是反射，不管在反射或透析的过程中，都会有一部份的光被吸收掉，如何在取出的过程中不被吸收掉，让光的射出达到最高的效率、如何把光混得均匀、把光的亮度做的柔和，怎样去optimum光的可视角度？
▲图七：LED封装中需考虑光线的折射与穿透。
这些都是需要做光学的考流，针对不同的应用，进行不同的封装设计，例如手机中照相的闪光灯源，照相的闪光灯源对于光的要求是需要在光源和被拍物体50℃左右，能够达到照度相当均匀到一个程度，这基本上就是光学系统要处理的，包括Color Filter的还有二次光学（second optical）都是怎样把光的效率做好的一些方法。
（图八）是几个典型LED装模式，这些都脱离不了如何做成一个LENS把光束缩敛、怎么发散的、怎么在角度中反射，怎么样达到最高的取光效率。比较传统的是做Lens的方式，最近比较多Flat LED做成Lens的方式，利用在上面加透镜改为光的散射模式，所以现在很多Power LED封装就是在里面把光集中以后，再做成Second Lens，打成正光、侧光，做成一个Lambertian 的Light Distribution或是Side view的Distribution。
▲图八：多种LED封装方式与特性一览。
■白光LED封装专利面临地雷
LED被普及应用30年以来，在过去20年，产业界从来没有想过封装专利的问题，像5Φ、3Φ的Lamp根本不会有什么封装专利的问题，客户要什么样Lamp，封装厂就可以依样化葫芦生产出来，丝毫不必担心或在意封装专利的问题。
最近10年来这样的议题就陆续出现，因为GaN的开始，再加上后来LED封装技术和型态的越来越多、材料的因素及LED封装方式，直到高亮度LED的出现，现在已经完全不同了，LED的封装产业越来越接近半导体的模式。现在LED业者在做RD开发前，一定要查阅一下所有LED封装的IP，做必要的自我防护。
目前所有高亮度LED所踫到的最大的封装专利，第一个就是荧光粉（Phosphor）的问题，目前尤其是在白光LED的应用（相关数据请见2005/11/4电子时报「争食白光LED市场 各式荧光粉技术陆续出笼」一文）。
第二个Issue是混光，在蓝光LED被开发出来后，LED业者就开始利用蓝光LED，荧光粉加上激发出来的黄光，混光之后成了白色，Osram和日亚化学发展这样Conversion的技术已经有相当长的一段时间了。所以，目前如果是利用混光的方法来让LED发出白光，都会碰到Osram和日亚化学的封装专利Issue。
第三方面，蓝光LED的芯片结构，目前应该是属日亚化学发展的最为完整，其所拥有的专利，几乎都已经占满让蓝光LED高效率发光的可能方法。所以，期望开发高效率蓝光LED，都不得不去考量日亚化学的专利范围。
第四，目前或许在Assembly LED封装的部分还没有看到专利问题，但是所有的芯片LED SMD，包括未来Power LED的封装，绝对是另一个专利战场。虽然现在市场的应用范围规模还是不大，仅在一些小尺寸LCD背光的显示应用，但是随着大尺寸LCD背光的显示应用陆续出现之后，在未来，在Power LED这一个技术上，可以预见不管是Thermal或是Optical等部分，都会陆续出现相当多的专利Issue。
■LED产业越来越多的联盟与合作
（图九）是关于全球LED产业专利交互授权或合作的剖析，在这里面主要集团还是以日亚化学为中心，除此之外，Osram跟Lumileds也形成了一个副中心，以GaN作为材料的LED，日亚化学仍旧是主要的供货商，而因为拥有大量的专利，等于是把整个GaN技术给保护住，目前在这方面日亚化学已经与其它业者开始进行有限度的交叉授权，但是在白光部分还是没有开放，仅有授权让Citizen为本身进行代工生产。Lumileds的技术主要是四元材料（AlGaInP），而基本上观念是采取开放授权的态度。
▲图九：全球LED业者相互授权一览。
Osram是除了日亚化学以外，对于发展白光LED布局比较强业者。荧光粉的授权部分是采用TAG荧光粉，有别于日亚化学的YAG（钇铝石榴石）的荧光粉，但是，在发光效率上仍旧有一段距离，而因为日亚化学不愿意将蓝光LED＋YAG荧光粉的License给其它业者。所以台湾、韩国业者，都分头向Oosram进行License的动作，利用TAG加上蓝光LED来达到生产白光LED的目标。
就市场规模来看，由于应用产品的增多，白光、蓝光LED开始进入量产扩大期，随之而来的就是业者之间的互补性或支付权利金的授权合作。在 芯片的部分，全球已经开始进行交叉授权，虽然日亚化学没有开放白光LED的技术授权生产，但是随着半导体与荧光粉的材料不断改革情况下，已经有越来越多的选择，芯片生产技术也越来越多。
最终，市场还是会走到Cost的问题，所以，因为以降低成本为目标，产业之间将会出现更多的联盟或技术合作，例如，即便对日亚化学来讲，虽然在白光LED部分绝对性的优势，但是在Advance的应用领域里，像是汽车或照明的部分的话，就不是日亚化学的强项，如果计划进入这一个市场领域的话，还是需要和Osram、Lumileds或是比较做专注于发展照明的业者进行联盟的动作，可以预见到，如果未来LED的应用范围不断扩大，已经提升到Advance应用的话，将会产生越来越多的联盟与合作。
■随技术与材料进步 问题将被一一克服
因为LED具有高弹性的特性，虽然以今天的技术和材料来看，虽然还不具备相当不错的照明能力，但是在其它的应用方面，已经在慢慢改变生活的环境与感受，例如使用LED作为煞车灯的汽车，在120公里时速以下，后方车辆可以减短5公里煞车距离。
由于LED是非常小的芯片，所以可以做成不同的组合，因为是一种固态的照明，拥有非常好的耐候性、耐摔性，寿命比灯泡长很多，当然，还是有一些技术上问题，例如目前效率和Cost比没办法做的那么低。但是随着技术与材料的进步，在未来这些都将会被一一的克服。
最新评论
用户名： 密码：
