LED封裝所驅(qū)動(dòng)的功率大小受限于封裝體熱阻與所搭配之散熱模塊(Rca)，兩者決定LED的系統(tǒng)熱阻和穩(wěn)態(tài)所能忍受的最大功率值,。為降低封裝熱阻,，業(yè)者試圖加大封裝體內(nèi)LED晶粒分布距離，然LED晶粒分布面積不宜太大,，過大的發(fā)光面積會(huì)使后續(xù)光學(xué)難以處理,，也限制該產(chǎn)品的應(yīng)用。不可一味將更多的LED晶粒封裝于單一體內(nèi),，以求達(dá)到高功率封裝目的,，因?yàn)槿杂兄T多因素待考慮，尤其是對(duì)于應(yīng)用面,。
多晶粒封裝材料不斷發(fā)展
隨著LED封裝功率提升,，多晶粒封裝(Multi-chip Package)成為趨勢(shì)，傳統(tǒng)高功率LED封裝多采用塑料射出之預(yù)成型導(dǎo)線架(Pre-mold Lead Frame)方式(圖1a),，封裝載體(Carrier)又稱為芯片承載(Die Pad),，為一連續(xù)的金屬塊，已無法滿足多晶粒串接之電性需求,，電性串并聯(lián)方式直接影響LED晶粒電測(cè)分檔(Bin)的精密程度,、可靠度壽命以及封裝體在應(yīng)用時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。于是眾多LED封裝型式陸續(xù)被提出,，圖2舉出幾個(gè)代表性高功率LED封裝典型例子,。
圖1 常見高功率LED封裝結(jié)構(gòu)示意
圖2 典型具代表性之高功率LED封裝
廣為業(yè)界使用的高功率LED封裝結(jié)構(gòu)，主要的差異大致可從封裝載體之材料選用做區(qū)分，實(shí)現(xiàn)方式不外乎采用高導(dǎo)熱陶瓷基材或直接在金屬基材上做植晶封裝(圖1b),，成為板上芯片(Chip On Board,， COB)的封裝形式。但因?yàn)楦邔?dǎo)熱陶瓷基材價(jià)格居高不下,，另有經(jīng)濟(jì)的選擇,，為使用低導(dǎo)熱積層陶瓷配合熱導(dǎo)通孔(Thermal Via)的設(shè)計(jì)(圖1c)，熱導(dǎo)通孔內(nèi)添入燒結(jié)金屬(如銀材)作為導(dǎo)熱路徑;此外,，亦另有先進(jìn)的作法，是使用半導(dǎo)體制程硅材為載體(圖1d)達(dá)到熱電分離,，同時(shí)兼具高功率密度和低熱阻(<0.5℃/W)特性,，可望將高功率LED封裝導(dǎo)入另一項(xiàng)革命。隨著LED功率和功率密度升級(jí),，將加速LED在各應(yīng)用領(lǐng)域逐次取代傳統(tǒng)光源,。
一級(jí)光學(xué)鏡片封裝材料選用舉足輕重
耐高溫且穩(wěn)定的封合膠體(Encapsulation)已被廣泛采用，不同硅膠基材間的取舍,，除了加工性外,，主要在于折射率的考慮，其將影響封裝體的光學(xué)特性,，此包括光分配(Beam Distribution)與出光效率等,。為維持穩(wěn)定一致的光學(xué)質(zhì)量，賦予一級(jí)光學(xué)鏡片(Primary Lens)有其必要性,，好的鏡片設(shè)計(jì)可提供更佳的光輸出質(zhì)量,，如更均勻的光強(qiáng)度、色坐標(biāo)分布等,，對(duì)于LED的有效出光有絕對(duì)的影響,。
一級(jí)光學(xué)鏡片的設(shè)計(jì)，各家自有其道,，一般在第一階出光多采用大出光角(≧120o)方式,，再透過后續(xù)的二階光學(xué)處理調(diào)整達(dá)所需要的光形，大出光角的另一好處,，是有利于將光萃取出來,，呈現(xiàn)更好的發(fā)光效率值。
一級(jí)光學(xué)材料的選用是很大的關(guān)鍵點(diǎn),，在過去,，受限于可光學(xué)成型材料的瓶頸，多數(shù)以光學(xué)聚碳酸脂(PC)或光學(xué)壓克力(PMMA)材質(zhì)為主(低階產(chǎn)品甚或有使用氧樹脂的例子),，現(xiàn)階段因硅膠材性質(zhì)已多有突破,，陸續(xù)被使用在一級(jí)光學(xué)鏡片，然因膠材乃屬黏彈性非堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)，在光學(xué)精準(zhǔn)性上會(huì)受到交鏈反應(yīng)收縮程度差異影響,，同時(shí)因硅膠容易吸收水氣,，在高潮濕環(huán)境下，硅膠鏡片可能因吸濕膨脹而使原先設(shè)計(jì)的配光發(fā)生變化,，硅膠材應(yīng)用在高功率LED封裝,，適處于推廣階段。至于在光學(xué)鏡片材料選用上,，還有另一種可行方式,，對(duì)于實(shí)現(xiàn)更精致光學(xué)質(zhì)量與高度可靠度需求者，可選用穩(wěn)定的玻璃鏡片,，滿足長(zhǎng)壽命和容許惡劣使用環(huán)境下嚴(yán)格考驗(yàn),。
有效降低熱阻值為首要課題
LED封裝推向高功率，首要面對(duì)熱的挑戰(zhàn),。熱效應(yīng)始終為各種材料特性退化的一大加速因子,，如何掌控結(jié)點(diǎn)溫度，成為決定LED封裝功率值的主要因素,，現(xiàn)階段固態(tài)照明產(chǎn)生白光的主流機(jī)制,，仍以可見藍(lán)光(450～470奈米)透過熒光材(Phosphor)激發(fā)黃色光譜混合，而產(chǎn)生人類視覺上的白光,。
市面上可見之藍(lán)光晶粒技術(shù)已達(dá)一定水平,，晶粒本身對(duì)熱沖擊的忍受程度相當(dāng)大(溫度每提升10℃、發(fā)光效率衰退小于1%),，然而熱對(duì)于所有類型熒光材的效應(yīng)則相對(duì)敏感,，熒光材之光轉(zhuǎn)換效率隨溫度上升而降低(圖3)，同時(shí)影響熒光材料壽命,，特別當(dāng)熒光材料溫度超過70℃以上時(shí)會(huì)急速衰退,，此意味著LED結(jié)點(diǎn)溫度(Junction Temperature， Tj)須有效控制在70℃以下,，始能有效確保LED可用壽命(一般壽命以L70計(jì)算,，LED衰退至原來亮度70%之時(shí)間)，作為壽命判斷依據(jù),，而此要求一般皆在20,，000小時(shí)以上。因此,，當(dāng)討論LED最高功率以及效能時(shí),，須考慮其于正常操作狀態(tài)下，達(dá)熱穩(wěn)定時(shí)之結(jié)果去推算始具意義,。LED封裝體自身之熱阻,，決定該封裝所能承受的最大功率,，如何有效降低Rjc值，是為高功率LED封裝須面對(duì)的一大挑戰(zhàn),。
圖3 熒光材光轉(zhuǎn)換效率隨溫度之變化
成本,、電性、可靠度為封裝體晶粒配置三大評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)
LED晶粒的工作電流密度有其上限(以40×40密爾(mil)芯片面積為例,，依芯片等級(jí),，驅(qū)動(dòng)電流從350～1，000毫安皆有,，然而提高LED功率最直接的作法,，是提高LED封裝內(nèi)的總晶粒面積，作法不外乎增加晶粒大小,，或是提高晶粒數(shù)目(采用多晶封裝方式),，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，可從晶粒成本,、電性考慮、以及可靠度壽命等角度予以評(píng)估：
成本考慮
以大尺寸80密爾晶粒為例,，其面積相當(dāng)于四個(gè)40密爾晶粒,，然對(duì)于晶粒價(jià)格而言，80密爾的晶粒成本,，因良率因素,，必定高于四個(gè)40密爾的成本。
電性連接方式
從電性的角度來看,，80密爾晶粒相當(dāng)于將四個(gè)40密爾晶粒以并聯(lián)形式連接(圖4a),，而若使用四個(gè)40密爾晶粒，則可以選擇透過打線(Wire Bonding)方法以串聯(lián)形式連接(圖4b),，串聯(lián)與并聯(lián)方式的差異,，可反應(yīng)在性能表現(xiàn)，了解每顆LED晶粒的順相電壓(Forward Voltage,， Vf)皆有差異,，換句話說，也就是各晶粒單元的內(nèi)阻值不一,，四顆晶粒并聯(lián)驅(qū)動(dòng),，必有電流分布不均問題，電流分配較大的晶粒,，光轉(zhuǎn)換效率大同時(shí)也加速晶粒老化,，電流分配不足的晶粒，則無法釋放出足夠的光能,，結(jié)果使整體的發(fā)光效率不如預(yù)期,。
圖4 于相同的晶粒面積條件下,，不同晶粒大小相對(duì)應(yīng)之電性連接示意
可靠度壽命
大晶粒因有電流分布不均現(xiàn)象，電流密度大的區(qū)域加速老化,，LED老化的結(jié)果是阻值降低,，導(dǎo)致該區(qū)域電流密度(Current Density)愈來愈大，也形成所謂的熱點(diǎn)(Hot Spot),，惡性循環(huán)的結(jié)果會(huì)加速LED衰退,。因此，LED在相同電流密度操作下,，大晶粒的可靠度壽命較小晶粒短,。
總的來說，采用串聯(lián)形式是比較有利的作法,，然大尺寸晶粒卻有其他方面的優(yōu)勢(shì),，在光學(xué)處理上，大尺寸晶粒相較于多個(gè)小尺寸晶粒,，更趨近于點(diǎn)光源,，較容易處理。大,、小晶粒尺寸間的取舍端視應(yīng)用領(lǐng)域而定,，在實(shí)際操作上，仍須考慮封裝的制程可行性以及LED驅(qū)動(dòng)電路組件的搭配性,。
整合共通平臺(tái)有助于降低開發(fā)成本
回顧2001年,，Lumiled Luxeon首推出1瓦高功率LED盛極一時(shí)，以當(dāng)時(shí)的封裝,，可謂經(jīng)典設(shè)計(jì),，眾多周邊廠商紛紛推出搭配Luxeon的周邊零件，包括二次光學(xué),、散熱基板,、熱模塊、驅(qū)動(dòng)電路等,，采取Luxeon封裝可毋須顧慮光學(xué)模塊,，并有各式驅(qū)動(dòng)電路可供用，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)程,。反觀現(xiàn)階段高功率LED封裝,，各廠自有其獨(dú)特規(guī)格，彼此間完全沒有可共通的零配件可交互使用,，即使是當(dāng)年紅極一時(shí)的Lumiled(現(xiàn)已并入飛利浦),，亦打破過去一貫的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)，使得原先配合之周邊零組件廠無所適從,。在沒有整合共通平臺(tái)的發(fā)展下,，可以預(yù)期的結(jié)果是各廠自行開發(fā)其高功率LED封裝規(guī)格,，使得下游系統(tǒng)應(yīng)用廠使用更加困難，除非鎖定某單一LED供應(yīng)源,，否則若欲同時(shí)有二至三種供貨來源,，則須投入倍數(shù)的開發(fā)成本于同一產(chǎn)品上。通用平臺(tái)的無法實(shí)現(xiàn),，可以預(yù)期最后的局勢(shì)為弱肉強(qiáng)食,，而非共享甜美果實(shí)的結(jié)局。
演色性,、色彩均勻,、價(jià)格挑戰(zhàn)越來越大
白光LED近年來突飛猛進(jìn)，高功率LED取代傳統(tǒng)光源展現(xiàn)在節(jié)能的效益已獲證實(shí),，2008年初可以量產(chǎn)的白光LED封裝已突破每瓦70流明水平,，超越傳統(tǒng)通用照明最為普及的省電燈泡(管)?？梢灶A(yù)見在未來的一年,，大于每瓦100流明的可商業(yè)化白光LED即將面世。在一味追求高發(fā)光效率的同時(shí),，亦期待LED業(yè)界在光學(xué)質(zhì)量同樣獲得提升,，包括：
對(duì)演色性的追求
使用于室內(nèi)照明的光源，人們強(qiáng)調(diào)光源的演色性,，目的在使被照物體呈現(xiàn)更自然色彩，如何提升演色性(CRI>80),，這部分須仰賴晶粒廠與熒光材廠的齊力配合,，使激發(fā)光譜更加寬廣、且更接近于大自然光源,。
提升光色彩均勻度
許多LED投射出的光色彩均勻度不理想,，經(jīng)常可見者為外圍黃圈問題(光靠近外圈之色溫低于中心區(qū)域),，即便是國(guó)際知名LED封裝大廠亦難解此課題,，此須同時(shí)從封裝結(jié)構(gòu)，光學(xué)設(shè)計(jì)以及熒光體涂布制程技術(shù)等并行處理,。
價(jià)格普及化
高功率LED封裝的最大市場(chǎng),，在于廣大的通用照明，未來LED何時(shí)能廣泛被應(yīng)用,，只剩價(jià)格問題,，預(yù)估LED封裝成品價(jià)格低于100流明下1.5美元的性價(jià)比，同時(shí)LED效能仍須維持在每瓦70流明以上之水平,，而交流對(duì)直流(AC-DC)驅(qū)動(dòng)電路價(jià)格低于每瓦0.3美元,，則將是高功率LED在固態(tài)照明正式被啟動(dòng)的時(shí)間點(diǎn),。
LED性能對(duì)產(chǎn)品壽命影響巨大
在LED特性的表現(xiàn)上，封裝業(yè)的角度僅呈現(xiàn)組件之初始特性(Initial Characteristic,， i.e.,， Tj=25℃)，然在實(shí)際應(yīng)用上,，用戶想知道的是產(chǎn)品在持續(xù)操作之穩(wěn)定狀態(tài)(Steady State)下的數(shù)據(jù),，如何讓終端的系統(tǒng)整合業(yè)者，以高功率LED封裝設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)能有效掌控LED特性,，須忠實(shí)提供客戶關(guān)于LED封裝體熱阻,、LED光通量隨結(jié)點(diǎn)溫度(Tj)變化之關(guān)系以及結(jié)點(diǎn)溫度對(duì)于LED壽命的影響。