高亮度led发光二极管之封装光通原理技术探析

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1、现在是光的时代，也即将是LED发光二极管的时代，我们都需要生活在一个明亮的环境下，毫無疑問的，這個世界需要高亮度發光二極管（HighBrightnessLight-EmittingDiode；HBLED），不僅是高亮度的白光LED（HBWLED），也包括高亮度的各色LED，且從現在起的未來更是積極努力與需要超高亮度的LED（UltraHighBrightnessLED，簡稱：UHDLED）。　　　　用LED背光取代手持裝置原有的EL背光、CCFL背光，不僅電路設計更簡潔容易，且有較高的外力抗受性。用LED背光取代液晶電視原有的CCF

2、L背光，不僅更環保而且顯示更逼真亮麗。用led照明取代白光燈、鹵素燈等照明，不僅更光亮省電，使用也更長效，且點亮反應更快，用於煞車燈時能減少後車追撞率。　　　　所以，LED從過去只能用在電子裝置的狀態指示燈，進步到成為液晶顯示的背光，再擴展到電子照明及公眾顯示，如車用燈、交通號誌燈、看板訊息跑馬燈、大型影視牆，甚至是投影機內的照明等，其應用仍在持續延伸。　　　　更重要的是，LED的亮度效率就如同摩爾定律（Moore''sLaw）一樣，每24個月提升一倍，過去認為白光LED只能用來取代過於耗電的白熾燈、鹵素燈，即發光效率在10∼30l

3、m/W內的層次，然而在白光LED突破60lm/W甚至達100lm/W後，就連螢光燈、高壓氣體放電燈等也開始感受到威脅。　　　　雖然LED持續增強亮度及發光效率，但除了最核心的螢光質、混光等專利技術外，對封裝來說也將是愈來愈大的挑戰，且是雙重難題的挑戰，一方面封裝必須讓LED有最大的取光率、最高的光通量，使光折損降至最低，同時還要注重光的發散角度、光均性、與導光板的搭配性。　　　　另一方面，封裝必須讓LED有最佳的散熱性，特別是HB（高亮度）幾乎意味著HP（HighPower，高功率、高用電），進出LED的電流值持續在增大，倘若不能良

4、善散熱，則不僅會使LED的亮度減弱，還會縮短LED的使用壽命。　　　　所以，持續追求高亮度的LED，其使用的封裝技術若沒有對應的強化提升，那麼高亮度表現也會因此打折，因此本文將針對HBLED的封裝技術進行更多討論，包括光通方面的討論，也包括熱導方面的討論。　　　　附註：大陸方面稱為「發光二極管」。　　　　附註：一般而言，HBLED多指8lm/W（每瓦8流明）以上的發光效率。　　　　附註：一般而言，HPLED多指用電1W（瓦）以上，功耗瓦數以順向導通電壓乘以順向導通電流（Vf×If，f＝forward）求得。　　　　雖然本文主要在談論

5、LED封裝對光通量的強化，但在此也不得不先說明更深層核心的裸晶部分，畢竟裸晶結構的改善也能使光通量大幅提升。　　　　首先是強化光轉效率，這也是最根源之道，現有LED的每瓦用電中，僅有15％∼20％被轉化成光能，其餘都被轉化成熱能並消散掉（廢熱），而提升此一轉換效率的重點就在p-n接面（p-njunction）上，p-n接面是LED主要的發光發熱位置，透過p-n接面的結構設計改變可提升轉化效率。　　　　量子井（QuantumWell；QW）的結構圖。　　　　關於此，目前多是在p-n接面上開鑿量子井（QuantumWell；QW），以此

6、來提升用電轉換成光能的比例，更進一步的也將朝更多的開鑿數來努力，即是多量子井（MultipleQuantumWell；MQW）技術。　　　　裸晶層：「換料改構、光透光折」拉高「出光效率」　　　　如果光轉效率難再要求，進一步的就必須從出光效率的層面下手，此層面的作法相當多，依據不同的化合材料也有不同，目前HBLED較常使用的兩種化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN，前者用來產生高亮度的橘紅、橙、黃、綠光，後者GaN用來產生綠、翠綠、藍光，以及用InGaN產生近紫外線、藍綠、藍光。　　　　至於作法有哪些？這包括改變實體幾何結構（

7、橫向轉成垂直）、換用基板（substrate，也稱：襯底）的材料、加入新的材料層、改變材料層的接合方式、不同的材料表面處理等。不過，無論如何變化，大體都不脫兩個要則：一、降低遮蔽、增加光透率。二、強化光折射、反射的利用率。　　　　舉例來說，過去AlGaInP的LED，其基板所用的材料為GaAs，然黑色表面的GaAs使p-n接面散發出的光有一半被遮擋吸收，造成光能的浪費，因此改用透明的GaP材料來做基板。又如日本日亞化學工業（Nichia）在GaN的LED中，將p型電極（ptype）部分做成網紋狀（MeshPattern），以此來增加

8、p極的透明度，減少光阻礙同時提升光透量。　　　　至於增加折反射上，在AlGaInP的結構中增加一層DBR（DistributedBraggReflector）反射層，將另一邊的光源折向同一邊。GaN方面則將基板材料換成藍寶石（Sapp