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| 【LED】高功率白光LED仍有許多技術上的瓶頸尚待克服 |
| （時間:2026-03-28 17:11:51） |
在眾多環保光源應用方案中，LED是相對其他光源方案更為節能、便於組裝設計的一種光源技術，其中，在照明光源應用中，高功率白光LED使用則為最頻繁的發光元器件，但白光LED雖在發光效率、單顆功率各方麵表現均有研發進展，實際上白光LED仍存在發光均勻性、封裝材料壽命等問題，尤其在芯片散熱的應用限製，則為開發LED光源應用首要必須改善的問題...
高功率白光LED應用於日常照明用途，其實在環保光源日益受到重視後，已經成為開發環保光源的首要選擇。但實際上白光LED仍有許多技術上的瓶頸尚待克服，目前已有相關改善方案，用以強化白光LED在發光均勻性、封裝材料壽命、散熱強化等各方麵設計瓶頸，進行重點功能與效能之改善。
環保光源需求增加高功率白光LED應用出線
LED光源受到青睞的主因，不外乎產品壽命長、光-電轉換效率高、材料特性可在任意平麵進行嵌裝等特性。但在發展日常照明光源方麵，由於需達到實用的“照明”需求，原以指示用途的LED就無法直接對應照明應用，必須從芯片、封裝、載板、製作技術與外部電路各方麵進行強化，才能達到照明用途所需的高功率、高亮度照明效用。
就市場需求層麵觀察，針對照明應用市場開發的白光LED，可以說是未來用量較高的產品項目，但為達到使用效用，白光LED必須針對照明應用進行重點功能改善。其一是針對LED芯片進行強化，例如，增加其光-電轉換效率，或是加大芯片麵積，讓單個LED的發光量(光通量)達到其設計極限。其二，屬於較折衷的設計方案，若在持續加大單片LED芯片麵積較困難的前提下，改用多片LED芯片封裝在同一個光源模組，也是可以達到接近前述方法的實用技術方案。
以多芯片封裝滿足低成本、高亮度設計要求
就產業實務需求檢視，礙於量產彈性、設計難度與控製產品良率/成本問題，LEDxinpianchixujiadahuipengdaochengbenyulianglvdeshejipingjing。yimeidejiadaxinpianmianjikenenghuipengdaodeshejikunnan，bingfeijishushangyushengchanjishubanbudao，ershizaichengbenyuxiaoyikaoliangshang，damianjizhiLED芯片成本較高，而且對於實際製造需求的變更設計彈性較低。
反而是利用多片芯片的整合封裝方式，讓多片LED小芯片在載板上的等距排列，利用打線連接各芯片、搭da配pei光guang學xue封feng裝zhuang材cai料liao的de整zheng體ti封feng裝zhuang，形xing成cheng一yi光guang源yuan模mo組zu產chan品pin，而er多duo片pian封feng裝zhuang可ke以yi在zai進jin行xing芯xin片pian測ce試shi後hou，利li用yong二er次ci加jia工gong整zheng合he成cheng一yi個ge等deng效xiao大da芯xin片pian的de光guang源yuan模mo組zu，但dan卻que在zai製zhi作zuo彈dan性xing上shang較jiao單dan片pian設she計jiLED光源用元件要更具彈性。
同時，多片之LED芯片模組解決方案，其生產成本也可因為芯片成本而大幅降低，等於在獲得單片式設計方案同等光通量下，擁有成本更低的開發選項。
多芯片整合光源模組仍需考量成本效益最大化
另一個發展方向，是將LED芯片麵積持續增大，透過大麵積獲得高亮度、高光通量輸出效果。但過大的LED芯片麵積也會出現不如設計預期之問題，常見的改進方案為修改複晶的結構，在芯片表麵進行製作改善;但相關改善方案也容易影響芯片本身的散熱效率，尤其在光源應用的LED模mo組zu，大da多duo要yao求qiu在zai高gao功gong率lv下xia驅qu動dong以yi獲huo得de更geng高gao的de光guang通tong量liang，這zhe會hui造zao成cheng芯xin片pian進jin行xing發fa光guang過guo程cheng中zhong芯xin片pian接jie麵mian所suo彙hui集ji的de高gao熱re不bu容rong易yi消xiao散san，影ying響xiang模mo組zu產chan品pin的de應ying用yong彈dan性xing與yu主zhu/被動散熱設計方案。
一般設計方案中，據分析采行7mm2的芯片尺寸，其發光效率為最佳，但7mm2大型芯片在良率與光表現控製較不易，成本也相對較高;反而使用多片式芯片，如4片或8片小功率芯片，進行二次加工於載板搭配封裝材料形成一LED光源模組，是較能快速開發所需亮度、功率表現之LED光源模組產品的設計方案。
例如Philips、OSRAM、CREE等光源產品製造商，就推出整合4、8片或更多小型LED芯片封裝之LED光源模組產品。但這類利用多片LED芯片架構的高亮度元件方案也引起了一些設計問題，例如：多顆LED芯片組合封裝即必須搭配內置絕緣材料，用以避免各別LED芯片短路現象;zheyangdezhichengxiangduiyudanpianshishejiduolexuduochengxu，yincijishinengjiaodanpianshifanganjieshengchengben，yehuiyinewaijueyuancailiaozhichengersuoxiaoleliangzhongfangandechengbenchaju。
應用芯片表麵製程改善也可強化LED光輸出量
除了增加芯片麵積或數量是最直接的方法外，也有另一種針對芯片本身材料特性的發光效能改善。例如，可在LED藍寶石基板上製作不平坦的表麵結構，利用此一凹凸不規則之設計表麵強化LED光輸出量，即為在芯片表麵建立Texture表麵結晶架構。
OSRAM即有利用此方案開發ThinGaN高亮度產品，於InGaN層先行形成金屬膜材質、再進行剝離製程，使剝離後的表麵可間接獲得更高的光輸出量!OSRAM號稱此技術可以讓相同的芯片獲得75%光取出效率。
另一方麵，日本OMRON的開發思維就相當不同，一樣是致力榨出芯片的光取出效率，OMRON即嚐試利用平麵光源技術，搭配 LENS光學係統為芯片光源進行反射、引導與控製，針對傳統砲彈型封裝結構的LED產品常見的光損失問題，進一步改善其設計結構，利用雙層反射效果進而控製與強化LED的光取出量，但這種封裝技術相對更為複雜、成本高，因此大多僅用於LCDTV背光模組設計。
LED照明應用仍須改善元件光衰與壽命問題
如果期待LED光源導入日常照明應用，其應用需克服的問題就會更多!因為日常照明光源會有長時間使用之情境，往往一開啟就連續用上數個小時、甚至數十小時，那長時間開啟的LED將會因為元件的高熱造成芯片的發光衰減、壽命降低現象，元件必須針對熱處理提出更好的方案，以便於減緩光衰問題過早發生，影響產品使用體驗。
LED光源導入日常應用的另一大問題是，如傳統使用的螢光燈具，使用超過數十小時均可維持相同的發光效率，但LED就不同了。因為LED發光芯片會因為元件高熱而導致其發光效率遞減，且此一問題不管在高功率或低功率 LED皆然，隻是低功率LED多僅用於指示性用途，對使用者來說影響相當小;但若LED作zuo為wei光guang源yuan使shi用yong，其qi光guang輸shu出chu遞di減jian問wen題ti會hui在zai為wei提ti高gao亮liang度du而er加jia強qiang單dan顆ke元yuan件jian的de驅qu動dong功gong率lv下xia越yue形xing加jia劇ju，一yi般ban會hui在zai使shi用yong過guo幾ji小xiao時shi後hou出chu現xian亮liang度du下xia滑hua，必bi須xu進jin行xing散san熱re設she計ji改gai善shan才cai能neng達da到dao光guang源yuan應ying用yong需xu求qiu。
LED封裝材料需因應高溫、短波長光線進行改善
在光源設計方案中，往往會利用增加驅動電流來換取LEDxinpiangenggaodeguangshuchuliang，danzhehuirangxinpianbiaomianzaifaguangguochengchanshengdereduchixuzenggao，erxinpiandegaowenkaoyanfengzhuangcailiaodenaiyongdu，lianxuyunxinggaowendezhuangtaixiahuizhishiyuanjubeigaorenaiyongdudefengzhuangcailiaochuxianliehua，qiecailiaoliehuahuozhibianyehuijinyibuzaochengtouguangduxiahua，yincizaikaifa LED光源模組時，亦必須針對封裝材料考量改用高抗熱材質。
增加LED光源模組元件散熱方法相當多，可以從芯片、封裝材料、模組之導熱結構、PCBzaibanshejidengjinxingzhongdiangaishan。liru，xinpiandaofengzhuangcailiaozhijian，ruonengqianghuasanrechuandaosudu，kuaisujianghexinreyuantouguofengzhuangcailiaobiaomianyisanyeshiyizhongfangfa。huoshiyouxinpianyuzaibanjiandejiechu，zhijiejiangxinpianhexingaoretouguocailiaodezhijiechuandaoreyuanzhizaibanyisan，jinxingLED芯片高熱的重點改善。此外，PCB采行金屬材料搭配與LED芯片緊貼組裝設計，也可因為減少熱傳導的熱阻，達到快速散逸發光元件核心高熱的設計目標。
另在封裝材料方麵，以往LED元件多數采環氧樹脂進行封裝，其實環氧樹脂本身的耐熱性並不高，往往LED芯片還在使用壽命未結束前，環氧樹脂就已經因為長時間高熱運行而出現劣化、變質的變色現象，這種狀況在照明應用的LED模組設計中，會因為芯片高功率驅動而使封裝材料劣化的速度加快，甚至影響元件的安全性。
不隻是高熱問題，環氧樹脂這類塑料材質，對於光的敏感度較高，尤其是短波長的光會讓環氧樹脂材料出現破壞現象，而高功率的LED光源模組，其短波長光線會更多，對材料惡化速度也會有加劇現象。
針對LED光源應用設計方案，多數業者大多傾向放棄環氧樹脂封裝材料，改用更耐高溫、抗短波長光線的封裝材料，例如矽樹脂即具備較環氧樹脂更高的抗熱性，且在材料特性方麵，矽樹脂可達到處於150~180°C環境下仍不會變色的材料優勢。
此(ci)外(wai)，矽(xi)樹(shu)脂(zhi)亦(yi)可(ke)分(fen)散(san)藍(lan)色(se)光(guang)與(yu)紫(zi)外(wai)線(xian)，矽(xi)樹(shu)脂(zhi)可(ke)以(yi)抑(yi)製(zhi)封(feng)裝(zhuang)材(cai)料(liao)因(yin)高(gao)熱(re)或(huo)短(duan)波(bo)長(chang)光(guang)線(xian)的(de)材(cai)料(liao)劣(lie)化(hua)問(wen)題(ti)，減(jian)緩(huan)封(feng)裝(zhuang)材(cai)料(liao)因(yin)為(wei)變(bian)質(zhi)而(er)導(dao)致(zhi)透(tou)光(guang)率(lv)下(xia)滑(hua)問(wen)題(ti)。而(er)就(jiu)LED光源模組來說，矽樹脂也有延長LED元件使用壽命優點，因為矽樹脂本身抗高熱與抗短波長光線優點，在封裝材料可抵禦LED長時間使用產生的持續高熱與光線照射，材料的壽命相對長許多，也可讓LED元件有超過4萬小時的使用壽命。
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