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掌握封装技术 LED照明设计迈大步

  自从白光发光二极管(led)于2000年始达到每瓦15~20流明的水平后,各国就开始积极对LED投入研发制造,而相关市场营销、技术评鉴机构及学界,则积极对此极具未来性的产品进行译码,一探其奥秘及商业价值,并陆续提出负面疑问或爆炸性的前瞻预测。  

  但随着能源短缺、地球暖化、能源材料价格上扬等因素深受各国政府重视,更加速LED的市场热度,其二为随着手机白色背光源于2003年被广泛应用,随即奠定蓝光激发荧光粉产生白光LED在市场的价值,更因LED应用在车尾灯可达到快速反应、减少更换及设计上增加工业产品美学的新思维,渐渐开拓另一个市场应用契机,进而激励相关供应链厂商的研发投入。  

  虽然在2003年时,LED亮度效能未能达到主照明的需求(表1),但已逐渐让世界注意到LED的未来性及对传统光源的威胁性。

    表1 OIDA对于2002~2020年LED效能预估


  依照美国光电子工业协会(OIDA)的预测推估,即使LED已达到10美元/每千流明,但对于整组灯泡或灯具要达成10美元/每千流明仍相去甚远,尤其加入演色性(CRI)的需求,光源的效能和市场价格将为供应链厂商必须共同解决的一大课题。  

  虽然LED的应用极为广泛,且各个应用产业会面对不同程度的技术问题,在此仅就照明应用方面提出设计解决方向,以加速LED照明产业整合开发的质量与速度。  

  LED灯具供货商主导产业规格  

  要成功开发一款LED照明产品所须注意的事项相当繁琐而复杂,三至五人的贸易公司或许能带来营业利润,但在世界规范一一制定出炉后,亦拉高进入门坎,同时筛选掉体质不佳的应用小厂,更甚至因为达到普及化的成本结构,使LED照明逐渐朝专业技术和专业代工制造的领导厂商集中。 
 
  现今的主要客户更加致力于探究上游材料、技术深度及整合能力,以做为评估的标准。对于各阶段开发的技术深度及广度,将会是2009~2012年成功迈入LED照明必须完备的工作,因为标准尚未完备,市场的需求决定在供货商能够提供的解决方案。  

    过半效率取决芯片与封装制程搭配效率  

  有关芯片开发,从覆晶(Flip Chip)式芯片如飞利浦,垂直(Verticle)式芯片如Cree、SemiLEDs,正负极呈阶梯平面式焊线,完全平面式焊线如日亚(Nichia)、丰田合成(TG)、晶元光电等;再加上粗糙面(Roughness)结构位置,以及形成的方式不同,皆或多或少影响出光效率、出光角、热传导、节点(Tj)温度、固晶材料、固晶方式、硬力拉力推力、焊线参数及结构设计的专利问题。是否了解芯片跟后续封装制程间的关系,决定LED照明产品一半以上的良率,开发LED照明应用就必须了解细部差异,以做为设计上的判断依据,目前没有哪家LED芯片最好,只有最适合的LED芯片才能够达到市场需求的优化。  

  多重因素影响LED封装性能  

  至于封装开发,在固定单一型式芯片下,众多影响因子决定封装完LED组件的性能、可靠度、寿命是否能禁得起市场考验,其中包括:  

  ? 承载基板的设计选择

  金属支架、FR4 COB(Chip on Board)型式、低温共烧氧化铝陶瓷、高温氧化铝、氧化铝基板加金属银块或铜块(Slug)、氮化铝基板、铝基板、铜基板、复合机板等材料差异,包括上述材料的机械结构对光、环境(如湿气温度等)结合力之间的相互作用关系。

  ? 光相关的制程设计

  固晶焊线区域位置,尺寸的设计,固晶焊线区域,固晶方式(硅绝缘胶、银导热胶、助焊剂、共金焊接等),以及周边材质如金、银、铜、铝、钯银、钯金、高耐热塑料(PPA)、硅等,封装胶体(黏稠度、折射率、耐温耐候性与相邻材料接着力等)。

? 荧光粉的多重混用、波长搭配、浓度搭配、涂布方式、操作时间及沉淀控制。

? 色温/电压/亮度/演色性分布

  均会影响出光效率、寿命、质量等,然而不同芯片的选用会使所有影响因子势必全部或部分重新再做评估。

  光源组件设计与选择不可轻视

  图2 产品机构及模具组装3D建构须充分了解LED光源特性、光机电热,加上计算机对光热仿真分析,才能确保可靠度和效能。

    就LED照明而言,到此才决定LED光源组件(图1),接下来还要面对:二次光学透镜、反射镜的设计,达到照明在不同应用需求的光型、光强分布或光学组件材料对环境造成光衰、裂化的考虑。此外,模块设计加上电路、电子控制设计、定电流源、调光模块、DMX系统控制模块、部分热传导设计、部分机构设计、组立设计等,必须达到客户功能性的要求,同时对LED光源组件不至于造成加速破坏的条件存在。最后则为热传导(Thermal Conductivity)热硬力及散热设计(Thermal Management),在模块端力求降低LED节点温度,均匀快速的将热集中区分散到各个面,另外则包括安规等绝缘设计考虑。  

  灯具设计决定市场定位和获益  

  灯具部分包含工业、机构、模具、散热、产品组立、工业防尘防水等级、安规设计考虑及包材等设计。  

  以上细节环环相扣,相互影响最终的产品属性、质量及价格,也决定产品的市场区隔、寿命、利润结构及产业远景。  

  LED照明产品设计须按部就班  

  以照明环境型式而论,可分为直接、半直接、间接、半间接和漫射照明。而以区域区分,可分为建筑、居住、室内及室外四区;再细部又可分庭院、外墙、客厅、餐厅、浴室、厨房、楼梯等。至于商业又分工作区、展示区、储藏区、装饰等。

  无论哪一区、哪一型,在过去数十年到百余年历史中,并未有一家独大的情况,由于各个区域所对光的需求也不尽相同,所以对于LED照明设计而言,在找到企业强项后,须审慎选择评估适合的,而非最好或最贵的LED光源,以此光源做为设计的基础来开发适合市场使用需求,或便于掌握营销的照明产品。  

  以目前LED封装组件量产的发光效率在每瓦90~100流明之谱,当然每瓦120流明或150流明已非难事,只要降低驱动电流提升光热转换效率就能达到,而市场与成本的关系,才是未达量产的原因。换言之,目前标准或额定电流操作下的光电转换效率约在30%,而约略70%仍转换为热,因此热传导及散热为现阶段亟待突破的瓶颈。在照明产品应用面,个别光源产品在各时间阶段所面临的技术问题就是需要各个专业领域人才去一一限时研究解决。照明产品设计时间考虑约可分为直接替换的灯泡与高整合性的照明产品,说明如下:  

  缩减直接替换LED灯泡价格为首要之务  

  直接替换灯泡如MR16、GU10、E27投射或泛光型灯泡PAR30、PAR38(表2、3)、AR111等较大型灯泡,LED产生的热,加上变压或恒流驱动电源模块所发出的热,在有限尺寸散热面积下,使得小型投射灯泡无法跨越5瓦、300流明门坎;中大型投射灯泡,如帕(PAR)灯等无法跨越13瓦的门坎。相较于传统光源,小型LED灯泡有十倍至数十倍的市场价差,而中大型LED灯泡则有数倍到十数倍的价差,要达一定产量而压低成本,以提高市场渗透率,则需要加倍的系统流明数、减半的发热源,以及现今三分之一的售价,才能使其大量应用在灯泡的替换上,预计至2015年将有可能成行。

    美国DOE要求PAR38达成1,350流明,CRI达90,但市场售价尚难达成。

  另外,由于世界各国对含汞较高的水银光源逐渐禁产或禁用,造就传统灯管、节能灯管与LED产业的相互竞争。传统灯管力求提升效率、降低汞含量,相较于MR16灯泡,传统灯管在尺寸上提供LED更佳的散热设计面积,加上LED的指向性增加LED灯管在灯具中的出光效率,造成一窝蜂的T8研发设计制造热潮。

  虽然光源系统流明效率不及或略高于传统日光灯管,但灯具系统效率确实能提供节能的效果,再经由政府政策力推,应是一个目前具产量的照明应用产品。  

  高整合性LED照明产品 蚕食传统照明市场  

  在传统型灯泡的架构下,势必难以在今日达成大量替换,而是先由高整合性的照明产品,如3、4、6、8吋筒灯(Down Light),以Cree LR230等为代表先作替换,供货商必须选用质量较佳、性能较好的LED封装组件,并设计解决模块机构、热传导、光学角度、眩光、演色性、电源模块、机构配件、产品工业设计、安规包材等,提供客户一个高度整合性和稳定性的灯具,同时更多的使用者在这10年来改变对LED光源的看法,从多点状光源变成单点状,并对眩光及眼睛伤害开始多所要求。  

  另外,虽然一般产业界认定LED寿命可达50,000小时,但目前仍被制造商以有限度的使用条件所限制。对于建立LED替代光源标准,可能仍是未来5年内要解决的课题。然而,2009~2015年之间,发展高系统性整合主照明将会是主轴,举凡户外洗墙灯、洗柱投射灯、街灯、路灯及室内办公室主照明、商业空间投射型照明等,皆需要高度光机电热整合设计,才能达到真正节能、使用期限长的优点。  

  LED效能在7年间提升约五倍,可量产的发光效率达到每瓦100流明,在专注发光效率提升同时,照明设计更须考虑直接或间接影响的节能、环保议题。不但要增加光电间的转换效益达到实质省电,更要经由设计达到减低二氧化碳排放。  

    如何成功推广LED照明或创造成功的事业,无法靠单纯组装就可达成,掌握技术和垂直整合将会是厂商面临极为重要的课题。