傳統上，LED使用陶瓷基板封裝，但在需求量愈來愈大的高功率LED應用上，卻會導致散熱問題難解，采鈺科技因而投入導熱更佳的矽基板開發。該公司研發處長李豫華在論壇中詳盡分析LED封裝的散熱問題和解決方案，並進一步說明晶圓級鏡頭和螢光粉塗布技術的優勢。
LED封裝 散熱是關鍵問題
李豫華首先點出LED應用於照明市場時的封裝需求，他表示，次世代照明的LED封裝需求最重要的就是散熱問題，估計熱的問題5年內難解，其次需要強而有力的結構體和穩定可靠的材料。另外光的表現也很重要，像均勻性、光源強度、出光效率是否更優異、及光的型式表現。最後就是量產和成本方面的管理。
LED封裝在這30年的演進，最大的特色就是尺寸愈來愈小，因此熱效應在輸入驅動電流較高時，就凸顯出來
如果將LED與傳統白熾燈和螢光燈相比較，LED產生20~25%的輻射能，並且全部是可見光，但會產生75~80%的熱。白熾燈會產生95%的輻射能，其中90%以紅外線釋放出來照著人體，本身熱則有限，只有5%。螢光燈產生的熱則為41%。因此LED的散熱問題最為重大。
尤其現在高功率LED需求愈來愈大，當小顆LED放進去，將電源灌入，熱量便會產生出來，為了要降低熱，光的亮度就會減小，這時為了要增加亮度，又會導入更高的電流，高電流又會產生更多的熱，如此成為一個循環，熱量就不斷增加。
接合溫度過高，導致的結果會是每升高20℃，LED效能就要降低5%(或每增加1℃，效能降0.25%)，在100℃時，YAG螢光粉的發光效率會減少20~40%，並且在高溫之下，使用壽命也會下降(每增加1℃即減少1,000小時)，接合溫度升高也會導致失效率增加。
以傳統LED來說，有90%的熱都是向下走，因此封裝技術中，散熱十分重要。散熱的重要性可以由下面的數據分析看出來，一般接合面的內部冷卻採用傳導方式，功率密度為3W/mm2，熱向下走到外殼散熱器的外部冷卻機制，採用對流方式，若是自然對流，功率密度為750W/m2，強制對流的功率密度為 7,500W/m2，內外相除得到自然對流需要4,000倍的面積去散熱，強制對流則為400倍，因此可以看出導熱的重要。
熱阻決定LED的壽命，Cree測得數據顯示，接合溫度每升1℃，使用壽命減1,000小時，若以每天5小時的使用計算，升1℃總共會減少6.5個月的壽命。
材料特性
可供選擇的高功率LED次黏著基台(sub-mount)材料有陶瓷(氧化鋁、氮化鋁)和矽。其中，鋁基板有翹曲問題，而且以導熱係數和熱擴散來看，矽是最佳選擇(矽的熱擴散係數為2.6~4.0 ppm/K，在三者中最小。熱傳導係數為140 W/m-K，遠大於氧化鋁，較氮化鋁的180W/m-K略小，但若將2係數關連比較，則以矽最為優異)。
矽基板的熱阻抗可以低至5℃/W，氧化鋁則為10~15℃/W。以矽的阻抗較陶瓷低4℃/W計，代表其使用壽命能夠增加4,000小時。
晶圓級封裝技術
矽基LED封裝製程流程為：絕緣及金屬層、晶片／金屬線鍵結及螢光材料塗布、透鏡組裝，再進行切割與測試。使用矽晶圓方法可以藉以控制穿孔型式(單一或多重)，因而增加光萃取率，這是陶瓷基板所做不到的。
采鈺獨家的IC製造相容晶圓級螢光粉塗布技術Conformal phosphor coating，可以在LED晶片最上層造就薄而高效能的螢光粉出光層，一次光學設計時即可將黃暈現象改善。Conformal phosphor coating並可控制色溫的一致性。
半球形鏡頭為以光學設計方式增加出光率的方法之一，也是采鈺獨家設計的晶圓級產品，鏡頭設計符合各種出光形式的需求。此外，利用不同材料的折射率不同，由內而外愈來愈小，亦可控制出光路徑使其出光率增加，此結構模式可改善出光率逾7%。
藉由螢光粉補償過程可以達到緊密的色溫控制，因而良率可獲得提升。原本低於70%的良率，經由補償可以提升超過95%。
實務上，采鈺的LED矽基封裝成品已經在多處導入，包括新竹科學園區的采鈺總公司、大陸秦皇島、大陸京瀋高速公路匝道的LED路燈、新竹清華大學校園。
LED 矽基封裝有許多技術上面臨的挑戰需要克服，例如材料方面，矽材有容易碎裂的缺點，且機構強度也是挑戰。螢光粉需考量其電子亮度和熱及溼阻抗。鏡頭的折射率及熱穩定度、黏著性等都是考量點。結構方面，絕緣層、金屬層都有其挑戰。製程方面，螢光粉塗布技術、鏡頭設計也都是技術開發重點。
圖說：采鈺LED封裝技術吸引專業學員駐足詢問。<摘錄電子> |
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