高亮度led之封装光通原理技术分析

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1、·高亮度LED之封装光通原理技术分析毫无疑问的，这个世界需要高亮度发光二极管（HighBrightnessLight-EmittingDiode；HBLED），不仅是高亮度的白光LED（HBWLED），也包括高亮度的各色LED，且从现在起的未来更是积极努力与需要超高亮度的LED（UltraHighBrightnessLED，简称：UHDLED）。用LED背光取代手持装置原有的EL背光、CCFL背光，不仅电路设计更简洁容易，且有较高的外力抗受性。用LED背光取代液晶电视原有的CCFL背光，不仅更环保而且显示更逼真亮丽。用LED照明

2、取代白光灯、卤素灯等照明，不仅更光亮省电，使用也更长效，且点亮反应更快，用于煞车灯时能减少后车追撞率。所以，LED从过去只能用在电子装置的状态指示灯，进步到成为液晶显示的背光，再扩展到电子照明及公众显示，如车用灯、交通号志灯、看板讯息跑马灯、大型影视墙，甚至是投影机内的照明等，其应用仍在持续延伸。　更重要的是，LED的亮度效率就如同摩尔定律（Moore''sLaw）一样，每24个月提升一倍，过去认为白光LED只能用来取代过于耗电的白炽灯、卤素灯，即发光效率在10∼30lm/W内的层次，然而在白光LED突破60lm/W甚至达100

3、lm/W后，就连荧光灯、高压气体放电灯等也开始感受到威胁。　虽然LED持续增强亮度及发光效率，但除了最核心的荧光质、混光等专利技术外，对封装来说也将是愈来愈大的挑战，且是双重难题的挑战，一方面封装必须让LED有最大的取光率、最高的光通量，使光折损降至最低，同时还要注重光的发散角度、光均性、与导光板的搭配性。　另一方面，封装必须让LED有最佳的散热性，特别是HB（高亮度）几乎意味着HP（HighPower，高功率、高用电），进出LED的电流值持续在增大，倘若不能良善散热，则不仅会使LED的亮度减弱，还会缩短LED的使用寿命。　所以

4、，持续追求高亮度的LED，其使用的封装技术若没有对应的强化提升，那么高亮度表现也会因此打折，因此本文将针对HBLED的封装技术进行更多讨论，包括光通方面的讨论，也包括热导方面的讨论。　附注：大陆方面称为「发光二极管」。　附注：一般而言，HBLED多指8lm/W（每瓦8流明）以上的发光效率。　附注：一般而言，HPLED多指用电1W（瓦）以上，功耗瓦数以顺向导通电压乘以顺向导通电流（Vf×If，f＝forward）求得。■裸晶层：「量子井、多量子井」提升「光转效率」　虽然本文主要在谈论LED封装对光通量的强化，但在此也不得不先说明更

5、深层核心的裸晶部分，毕竟裸晶结构的改善也能使光通量大幅提升。　首先是强化光转效率，这也是最根源之道，现有LED的每瓦用电中，仅有15％∼20％被转化成光能，其余都被转化成热能并消散掉（废热），而提升此一转换效率的重点就在p-n接面（p-njunction）上，p-n接面是LED主要的发光发热位置，透过p-n接面的结构设计改变可提升转化效率。此主题相关图片如下：按此查看图片详细信息正在读取此图片的详细信息，请稍候...▲量子井（QuantumWell；QW）的结构图。（郭长佑制图）　关于此，目前多是在p-n接面上开凿量子井（Qua

6、ntumWell；QW），以此来提升用电转换成光能的比例，更进一步的也将朝更多的开凿数来努力，即是多量子井（MultipleQuantumWell；MQW）技术。■裸晶层：「换料改构、光透光折」拉高「出光效率」　如果光转效率难再要求，进一步的就必须从出光效率的层面下手，此层面的作法相当多，依据不同的化合材料也有不同，目前HBLED较常使用的两种化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN，前者用来产生高亮度的橘红、橙、黄、绿光，后者GaN用来产生绿、翠绿、蓝光，以及用InGaN产生近紫外线、蓝绿、蓝光。　至于作法有哪些？这包括改

7、变实体几何结构（横向转成垂直）、换用基板（substrate，也称：衬底）的材料、加入新的材料层、改变材料层的接合方式、不同的材料表面处理等。不过，无论如何变化，大体都不脱两个要则：一、降低遮蔽、增加光透率。二、强化光折射、反射的利用率。　举例来说，过去AlGaInP的LED，其基板所用的材料为GaAs，然黑色表面的GaAs使p-n接面散发出的光有一半被遮挡吸收，造成光能的浪费，因此改用透明的GaP材料来做基板。又如日本日亚化学工业（Nichia）在GaN的LED中，将p型电极（ptype）部分做成网纹状（MeshPattern

8、），以此来增加p极的透明度，减少光阻碍同时提升光透量。　至于增加折反射上，在AlGaInP的结构中增加一层DBR（DistributedBraggReflector）反射层，将另一边的光源折向同一边。GaN方面则将基板材料换成蓝宝石（Sapphire，Al2O3