LED封装技术现状及未来发展

LED封裝技術現況與未來發展黃道恒(E-Mail:[e-mail],Tel:[phone]x2137)策略行銷處光電事業群大綱•為什麼LED需要封裝•LED的封裝需求•封裝熱管理與穩定的高功率LED基材設計•封裝填充材料的選擇與光學設計•高功率LED螢光粉的選用•未來高功率LED的封裝發展趨勢LED封裝之目的•封裝就是把晶片用專用的塑膠殼封起來,而在封起來之前,要把預先設計好的接腳接出來作為可以供商業使用之電子元件•保護晶片防禦輻射,水氣,氧氣,以及外力破壞•提高元件之可靠度•改善/提升晶片性能•提供晶片散熱機構•設計各式封裝形式,提供不同之產品應用0.11101001000196019701980199020002010Efficiency(Lumen/Watt)RedBlueGreenWhiteLED晶片與封裝技術的發展紅色交通號誌燈黃、綠交通號誌燈鎢絲燈泡螢光燈管Source:Lite-On2007GaAsPGaP:Zn,OGaP:NGaAsP:NAlInGaP/GaAsAlInGaP/AlGaAsAlInGaP/GaPInGaNSiCInGaNBlue+PhosphorLED封裝形式的演進200°C/W20mA198550°C/W150mA19941998199019891970年份10°C/W350mA100°C/W100mA120°C/W50mA160°C/W20mA熱阻(RTH,j-c)最高承載電流封裝形式為什麼需要開發高功率LED•LED的亮度與效率大幅提升，固態照明以及其他LED光源的應用越來越多。•傳統的LED只能承載20-50mA電流，譬如白光T1¾LEDLamp只能承擔0.18W，提供約2流明(Lumen)的光強。•主要的瓶頸在於傳統LED封裝設計熱阻(ThermalResistance)很高，晶片即使在50mA的電流下，晶片發光層溫度已經高達75°C。•高流明(Lumen)燈具的需求刺激高電流密度、高功率以及低熱組的需求提升。各式燈源熱的輸出紅外光83%熱12%可見光5%熱80%可見光20%LED傳統鎢絲燈泡溫度55%機械20%溼度19%灰塵6%LED失效模式的統計Φv(T1)=Φv(T2)·e-kΔTj影響2:亮度熱減損λd(T1)=λd(T2)·ΔTj·0.1(nm/’C)影響1:拋長熱飄移LED壽命跟封裝的散熱設計有很大的關係0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%01685008001000200030004000500060001000050000100000LifeTime(Hours)RelativeIntensity(%)LOPLWhiteEmitterI5mmWhiteLampGoodPackageDesignBadPackageDesign高功率LED封裝的需求•降低熱對晶片以及其他封裝材料的影響•可以符合SMD製程或其他簡易的焊接製程•抗紫外線(UV)•增加LED出光效率熱阻的定義TJunction=TAmbient+(Pd)x(RTH,J-A)高功率LED封裝的熱源導電架導電金線散熱基座矽次級基板(Sub-Mount)以及ESD防護線路焊接點晶片矽膠光學透鏡SMT環境溫度固晶是影響高功率LED封裝的熱流共金製(Eutectic)程取代傳統銀膠(ConductiveEpoxy)焊接取代導熱膠高熱導絕緣材料高熱傳導材料各式材料的熱性質熱應力與基板的考量高功率LED封裝設計導電架導電金線散熱基座矽次級基板(Sub-Mount)以及ESD防護線路焊接點晶片矽膠光學透鏡一般焊接製程以及其製程溫度LED封裝材料的需求•高反射的光學性質穩定材料•對於基材有高附著性•絕緣材：以避免短路•抗老化：高溫下不會變質(已符合SMT製程)•易塑性：利於各式各樣的機構設計•熱傳導：降低封裝熱阻•抗UV：以利戶外應用高功率LED封裝設計導電架導電金線散熱基座矽次級基板(Sub-Mount)以及ESD防護線路焊接點晶片矽膠光學透鏡常用工程塑膠材料高功率LED封裝設計導電架導電金線散熱基座矽次級基板(Sub-Mount)以及ESD防護線路焊接點晶片矽膠光學透鏡常用封裝填充材料的玻璃轉化點0100200300400500600-50050100150200AmbientTemperature(C)LinearExpansion(mm)EpoxySiliconeTg常用封裝材料在UV曝光下的穿透率選用矽膠(Silicones)的優點結論減少對晶片的侵蝕低金屬離子污染(2ppm)適合可波長的LED光學封裝高穿透率減少顏色因為使用時間而改變光學穩定性高可容忍SMT製程以及低溫應用可容忍的溫度範圍大(-40ºCto260ºC)不會增加膠材晶片的熱應力柔軟度大可通用灌膠或是壓模的製程黏度可調減少LED或螢光粉受溼氣的影響抗濕(typicallylessthan0.2%)對於基材的選擇有更大的容忍度對各式材料的附著性都很好優點特性限制出光效率的因子：介面反射率ΤRn1n2T+R=1T=4·n1·n2/(n1+n2)2R=(n2-n1)2/(n1+n2)2T+R=1T=4·n1·n2/(n1+n2)2R=(n2-n1)2/(n1+n2)2EX:T:transmissionR:ReflectiveT1=93.59%R1:6.41%T1=93.59%R1:6.41%T2=96.12%R2:3.88%T2=96.12%R2:3.88%SofromChiptoAir:T=T1·T2=89.95%ChipSiliconeΤ1R12.51.49Air1Τ2R2SofromChiptoAir:T=T1·T2·T3=91.38%若兩介質的折射率越近損失越少若兩介質的折射率越近損失越少Τ12.51.61Τ21.49Τ3T1=95.18%T1=95.18%T2=99.87%T2=99.87%T3=96.12%T3=96.12%Improvement:howtooptimize?限制出光效率的因子：全反射效應ΤRn1n2若n2n1會產生全反射n1·sin90=n2·sinθC若n2n1會產生全反射n1·sin90=n2·sinθCEX:T:transmissionR:ReflectiveθC=36.58θC=36.58θC=42.15θC=42.15ChipSiliconeΤ1R12.51.49Air1Τ2R2必須讓入射角小於全反射角必須讓入射角小於全反射角Τ12.51.491Τ2Improvement:howtooptimize?表面無全反射表面無全反射表面無全反射表面無全反射螢光粉ConformalCoating的光學優勢螢光粉RemotePhosphorCoating0%20%40%60%80%100%120%250275300325350375400425450ILED(mA)RelatvieIntensity(%)Phosphor(Remote)BlueLEDPhophor(Conventional)螢光粉塗佈的技術比較ConventionalPhosphorCoatingTechnologyConformalPhosphorCoatingTechnologyRemotePhosphorCoatingTechnology結論•LED封裝朝著下列方向發展–提供更高光能密度–小型化–簡易組裝•LED封裝在基材的設計必須考量–熱阻的極小化–必須考量光學性質來增高出光效率•LED的封裝膠材的選擇必須考量–必須有高玻璃轉化點(Tg)，以保長時間的應用–光學折射率的與晶片的匹配–抗UV的議題越來越重要–封裝膠材表面的光學設計•LED的螢光粉的製程必須考量–螢光粉的信賴度是首要要件–光學色度的均勻表現ThankyouFrancisWong+886(2)22226181x2137+886933503962