|
一，COB封裝 目前，LED封裝方法大致可區分為透鏡式(Lens-type)以及反射杯式(Reflector-type)，其中透鏡的成型可以是模塑成型(Molding)或透鏡黏合成型；而反射杯式芯片則多由混膠、點膠、封裝成型；近年來磊晶、固晶及封裝設計逐漸成熟，LED的芯片尺寸與結構逐年微小化，高功率單顆芯片功率達1~3W，甚至是3W以上，當LED功率不斷提升，對于LED芯片載版及系統電路版的散熱及耐熱要求，便日益嚴苛。 鑒于絕緣、耐壓、散熱與耐熱等綜合考量，陶瓷基板成為以芯片次黏著技術的重要材料之一。其技術可分為厚膜工藝(Thick film)、低溫共燒工藝(LTCC)與薄膜工藝(DPC)等方式制成。然而，厚膜工藝與低溫共燒工藝，是利用網印技術與高溫工藝燒結，易產生線路粗糙、對位不精準、與收縮比例問題，若針對線路越來越精細的高功率LED產品，或是要求對位準確的共晶或覆晶工藝生產的LED產品而言，厚膜與低溫共燒的陶瓷基板，己逐漸不敷使用。 為此，高散熱系數薄膜陶瓷散熱基板，運用濺鍍、電／化學沉積，以及黃光微影工藝而成，具備金屬線路精準、材料系統穩定等特性，適用于高功率、小尺寸、高亮度的LED的發展趨勢，更是解決了共晶／覆晶封裝工藝對陶瓷基板金屬線路解析度與精確度的嚴苛要求。當LED芯片以陶瓷作為載板時，此LED模組的散熱瓶頸則轉至系統電路板，其將熱能由LED芯片傳至散熱鰭片及大氣中，隨著LED芯片功能的逐漸提升，材料亦逐漸由FR4轉變至金屬芯印刷電路基板(MCPCB)，但隨著高功率LED的需求進展，MCPCB材質的散熱系數(2~4W/mk)無法用于更高功率的產品，為此，陶瓷電路板(Ceramic circuit board)的需求便逐漸普及，為確保LED產品在高功率運作下的材料穩定性與光衰穩定性，以陶瓷作為散熱及金屬佈線基板的趨勢已日漸明朗。陶瓷材料目前成本高于MCPCB，因此，如何利用陶瓷高散熱系數特性下，節省材料使用面積以降低生產成本，成為陶瓷LED發展的重要指標之一。因此，近年來，以陶瓷材料COB設計整合多封裝與系統線路亦逐漸受到各封裝與系統廠商的重視。 COB，在電子制造業里并不是一項新鮮的技術，是指直接將裸外延片黏貼在電路板上，并將導線／焊線直接焊接在PCB的鍍金線路上，也是俗稱中的打線(Wire bonding)，再透過封膠的技術，有效的將IC制造過程中的封裝步驟轉移到電路板上直接組裝。在LED產業中，由于現代科技產品越來越講究輕薄與高可攜性，此外，為了節省多顆LED芯片設計的系統板空間問題，在高功率LED系統需求中，便開發出直接將芯片黏貼于系統板的COB技術。 COB的優點在于：高成本效益、線路設計簡單、節省系統板空間等，但亦存在著芯片整合亮度、色溫調和與系統整合的技術門檻。以25W的LED為例，傳統高功率25W的LED光源，須采用25顆1W的LED芯片封裝成25顆LED元件，而COB封裝是將25顆1W的LED芯片封裝在單一芯片中，因此需要的二次光學透鏡將從25片縮減為1片，有助于縮小光源面積、縮減材料、系統成本，進而可簡化光源系二次光學設計并節省組裝人力成本。此外，高功率COB封裝僅需單顆高功率LED即可取代多顆1瓦(含)以上LED封裝，促使產品體積更加輕薄短小。 據了解，目前COB封裝的球泡燈已經占據了LED燈泡40%左右的市場，日本及國內很多企業都開始走COB封裝模式。業內人士預測，COB封裝將成為未來發展的必然趨勢。 雖然COB封裝的呼聲很大，回溫跡象明顯，但前景似乎也并未明朗。“在兩三年內，COB封裝技術還是不能成為主流”浙江億米光科技有限公司研發部的鄒軍博士。他補充道，由于目前國內大部分企業還是采用傳統的封裝方式，在技術和成本各種條件的制約，外來技術傳入及普及還需要時間，COB封裝技術還不能很快占據大勢，但不可否認的是，COB封裝技術是目前一個強勁的發展方向。 一個尷尬的境地在于，目前應用企業對COB集成封裝的需求很少。由于上一輪的投入失敗，導致很多照明應用企業不敢輕易使用這一封裝方式。據了解，COB封裝技術的瓶頸在于如何提高光源的可靠性，及其環境的試用度，然而，目前市場上能量產COB光源的封裝企業不多，而且大多使用鋁基板作為材料。鋁基板COB由于其熱阻較大，可靠性不高，容易出現光衰和死燈的現象。陶瓷基雖然是COB的理想材料之一，但是由于成本高，在功率小于2W時成本較高，難于被客戶接受。 “與傳統LED封裝技術相比，COB面板光源光線很柔和，具有非常大的市場，是未來的一個發展方向”，日明科技董事長王銳勛表示。 “市場上對于COB光源還處于觀望態度，需求不高。小芯片使用較多，大芯片的COB封裝還存在熱阻和光效等諸多問題”，臺灣某封裝技術工程師表示。對此，網絡上網友也各執一詞，大部分對COB封裝存在疑惑，不清楚其“是否適合大批量生產”。 但是目前包括臺灣廠商在內，能做成高可靠性COB光源的企業鳳毛麟角。因此，為了增強市場需求，有不少企業實行COB封裝與應用一體化，解決產品標準不一致的問題。 二， 高壓LED 在同樣輸出功率下，高壓LED所需的驅動電流大大低于低壓LED。如以晶元光電的高壓藍光1WLED為例，它的正向壓降高達50V，也即它只需20mA驅動電流就可以輸出1W功率，而普通正向壓降為3V的1WLED，需要350mA驅動電流才能輸出1W功率，因此同樣輸出功率的高壓LED在工作時耗散的功率要遠低于低壓LED，這意味著散熱鋁外殼的成本可大大降低。 高壓LED可以大幅降低AC-DC轉換效率損失。以10W輸出功率為例，如果采用正向壓降為50V的1W高壓LED，輸出端可以采取2并4串的配置，4個串聯LED的正向壓降為200V，也就是說只需從市電220V交流電(AC)利用橋式整流及降20V就可以了。但如果我們采用正向壓降為3V的1W低壓LED，即便10個串在一起正向壓降也不過30V，也就是說需要從220VAC市電降壓到30VDC。我們知道，輸入和輸出壓差越低，AC到DC的轉換效率就越高，可見如采用高壓LED，變壓器的效率就可以得到大大提高，從而可大幅降低AC-DC轉換時的功率損失，這一熱耗減少又可進一步降低散熱外殼的成本。 因此，如采用高壓LED來開發LED通用照明燈具產品，總體功耗可以大大降低，從而大幅降低對散熱外殼的設計要求，如我們可用更薄更輕的鋁外殼就可滿足LED燈具的散熱需求，由于散熱鋁外殼的成本是LED照明燈具的主要成本組成部分之一，鋁外殼成本有效降低也意味著整體LED照明燈具成本的有效降低。由此可見，高壓LED可以帶來LED照明燈具成本和重量的有效降低，但其更重要的意義是大幅降低了對散熱系統的設計要求，從而有力掃清了LED照明燈具進入室內照明市場的最大技術障礙。因此，高壓LED將主導未來的LED通用照明燈具市場。 LED企業對高壓LED的持續熱情，也伴隨著高壓LED客戶的增加，相比之下，低壓LED芯片面臨著越來越難賣進LED通用照明市場的危險。 相比低壓LED，目前比較流行的說法是，高壓LED有兩大明顯競爭優勢：第一，在同樣輸出功率下，高壓LED所需的驅動電流大大低于低壓LED。第二，高壓LED可以大幅降低AC-DC轉換效率損失。 三，AC LED 以高效節能、綠色環保、長壽命為特點的新興LED照明技術如今正在加速發展，應用中的新技術、新方案也不斷涌現。LED照明設計可結合光源特性，如光源指向性、冷光源及色彩變化等，必將將成為照明市場主流。近年來，隨著 LED 在材料選取、晶粒制程、封裝架構設計技術等方面的研究不斷進步，一種新的交流發光二極管（ AC LED ）技術應運而生，通過一種新的思路，推動了 LED照明技術的實用化。 傳統的LED是典型的低壓直流器件，無法直接在我們日常照明使用的電源是高壓交流（AC 100～220V）下使用，必須經過變壓器或開關電源降壓，然后將交流（AC）變換成直流（DC），再變換成直流恒流源，才能供LED光源使用。 因此在LED燈具里必然要有一定的空間來安置這個變換器，不利于照明燈具的設計和小型化。而且系統經過的變換環節，能量必然有一定量的損耗，DC LED在交流、直流之間轉換時約15%～30%的電力被損耗，系統效率很難做到90%以上。如果能用交流（AC）直接驅動LED光源發光，系統應用方案將大大簡化，系統效率將很輕松地達到90%以上。變換裝置的存在造成了傳統LED照明產品成本較高的重要因素，也成為制約LED光源產品壽命的瓶頸，無法體現LED長壽命的特點。 AC LED是相對于傳統的DC LED來說，無須經過AC/DC轉換，可直接插電于220V（或110V） 交流電使用的 LED 照明技術。AC LED光源的技術關鍵是LED晶粒在封裝時的特殊排列組合技術，同時利用LED PN結的二極管特性兼作整流，通過半導體制作工藝將多個晶粒集成在一個單芯片上，即高功率單晶粒（single power chip）LED 技術，并采用交錯的矩陣式排列工藝組成橋式電路，使AC電流可雙向導通，實現發光。晶粒的排列如圖1所示，左圖是AC LED晶粒采用交錯的矩陣式排列示意圖，右小圖是實際AC LED晶粒排列照片，AC LED晶粒在接上交流后通體發光，因此只需要二根引線導入交流源即能發光工作。 
圖1 AC LED晶粒封裝示意圖 AC LED光源的工作原理如圖2所示，由LED微晶粒采用交錯的矩陣式排列工藝組成5個橋臂，組成類似一個整流橋，整流橋的兩端分別聯接交流源，另兩端聯接一組LED晶粒，交流的正半周沿實線流動，3個橋臂的LED晶粒發光，負半周沿虛線流動，又有3個橋臂的LED晶粒發光，四個橋臂上的LED晶粒輪番發光，相對橋臂上的LED晶粒同時發光，中間橋臂的LED晶粒因共用而一直在發光。
圖2 AC LED光源的工作原理 在50Hz（60Hz）的交流中會以每秒50（60）次的頻率輪替點亮。整流橋取得的直流是脈動直流，LED的發光也是閃動的，LED有斷電余輝續光的特性，余輝可保持幾十微秒，而人眼對流動光點記憶是有惰性的，所以感覺不到光的閃動。LED有一半時間在工作，所以發熱得以減少40%～20%。其使用壽命較DC LED長。 AC LED 體積小，可應用于工業及民用小型指示燈；高壓低電流導通優點克服了使用 DC LED 時，線路高損耗造成需依賴電源供應器接續的問題；而且雙向導通，藍綠光 LED 無靜電擊穿 ESD 問題；使用微晶粒技術大幅提高發光效率；由于功率因數提高與低電流控制，對于一般照明產業及 LCD 背光面板產業，更是一項實用化新技術。 韓國漢城半導體公司即今天的首爾半導體早在2005年已發明可以用交流電直接驅動使其發光的 AC LED，其次是美同III-N Technology，3N技術開發 MOCVD生長技術基礎的氮化鎵討底，可以增進照明和傳感器的應用 ，并降低成本和提高生產效率。對大大小小的硅發光二極管提供6英寸生產技術。3N發明的單芯片交流發光二極管(AC LED)，建立了全面的專利組合，以保護和改善技術，牢固地確立其專有的立場，是首屆一指的大規模商業化生產的交流發光二極管產品。臺灣工業技術研究院2008年也完成可產業化生產并有實際應用系統方案的AC LED產品，可直接插電于 60Hz或史高頻率的AC 110V交流電壓使其交流發光，應用于指示燈、霓虹燈、低瓦數照明燈，能有效解決現有 LED無法直接在交流電源下使用 ，造成產品應用成本較高的缺點。臺灣工研院的On Chip AC LED因此獲得素有美曰產業創新奧斯卡獎之稱的 2008年R&D 100 Award大獎。現在全世界只有美國、韓國 臺灣工研院有此技術，臺灣工研院開發出白光 、藍光及綠光 AC LED制程技術不僅與國際同步 ，也是全球領先者之一。 AC LED成熟的產品如首爾用于AC110V的AX3201、AX3211和用于220V的AX3221、AX3231。用于AC110V功率在3.3W～4W，工作電流40mA；用于AC220V功率在3.3W-4W，工作電流20mA（圖3）。LED晶粒直接封裝在銅鋁基板上。
圖3 首爾半導體的AC LED 液光固態照明股份有限公司研發的采用獨有的液體沉浸熱管理解決方案（LITMS）的功率為5W的AC LED燈泡，將AC LED采用玻璃封裝，無須使用電源轉換器，使得燈泡壽命不受限于轉換器，使用環保安全的配方液體，取代原來的金屬散熱片，而前向液冷360度散熱方式，也是AC LED的光線更加柔和，減小刺眼感。其外形圖如圖4所示。
圖4 液冷AC LED燈泡外形圖 AC LED不僅可以用在各種場合的照明，還可以用于液晶顯示屏的背光照明。其在照明上的一個典型應用原理圖如圖5所示，在AC LED兩端分別串入正溫度系數熱敏電阻PTC，和限流電阻R1、R2、R3，接上110V或220V交流即可進入照明工作。相對傳統的DC LED，無須降壓整流裝置，大大簡化了實際應用，提高了效率和可靠性。
圖5 AC LED的典型應用電原理圖 AC LED剛剛起步，現階段仍有兩個缺點，一是發光效率并沒有DC LED高。二是AC LED有觸電的風險。因為AC LED直接連接高壓電網，如果采用金屬鰭片散熱，容易發生觸電危險，需要研究新的間接散熱方案，比如充液LED固態照明燈具等。 目前AC LED在發光亮度、功率等方面還不夠理想，但AC LED的應用簡便、無需變壓轉換器和恒流源，以及低成本、高效率已顯現強大的生命力。AC LED的技術在飛躍發展，可以設想在不久的將來，高亮度、大功率、低成本的產品將大量面世，更綠色、更環保為我們這個世界提供光明。 四，新型熒光粉涂覆方式 傳統的熒光粉涂覆方式為點粉模式，即熒光粉與膠體的混合物填充到芯片支架杯碗內，然后加熱固化。這種涂覆方式熒光粉量難以控制，并且由于各處激發光不同，使得白光LED容易出現黃斑或者藍斑等光色不均勻現象。PhilipsLumileds公司提出了保形涂覆的熒光粉涂覆方式，它們在倒裝LED芯片表面覆蓋一層厚度一致的熒光粉膜層，提高了白光LED的光色穩定性。也有公司采用在芯片表面沉積一層熒光粉的方法來實現激發。這些涂覆方式都是將芯片與熒光粉接觸。H.Luo等研究者的光學模擬結果表明，這種熒光粉與芯片接觸的近場激發方法，增加了激發光的背散射損耗，降低了器件的取光效率。澳大利亞的Sommer采用數值模擬的方法模擬PhilipsLumileds的熒光粉保形涂覆結構，結果顯示這種涂覆方法并不能提供更好的角度均勻性。隨著對白光LED光學模擬的深入，熒光粉遠場激發的方案顯示了更多的優越性。 來源：半導體照明網 |
