分析怎樣提高LED照明的可靠性
日期：2024-08-25 15:41
瀏覽次數：461
摘要：
??? ?? 隨著藍光和白光發光二極管(LED)在1990年大舉邁向實用化階段后，無論是利用LED所進行的全彩顯示，或是在近年來社會大眾對節能議題所展現的高度重視下，LED所普及到的智能手機、個人電腦(PC)、電視背光、照明、白色家電產品或交通號誌等多樣化的產品應用領域愈來愈廣。為滿足市場需求，業界針對各種產品系列步入式恒溫恒濕室，包括能夠實現高演色性與高可靠性的照明用LED、以PICOLED為代表產品的小型薄型LED，以及車用客製化色彩LED等傾注了相當的研發資源。
照明用白光LED產值急速成長
受到世界節能趨勢以及日本東北大地震所引發的節能意識高漲，日本市場對于照明用白光LED的需求量大增，促使LED照明市場產值正不斷急遽成長，然而，若要讓照明光源完全從傳統的白熾燈泡照明方式轉換為LED照明，在產品特性上仍有些亟待解決的問題存在，其中，業界研發重點尤以LED燈的高演色性與高可靠性為主，以下將分別就業者針對高Ra值與發光效率的技術做分享。
兼顧高Ra值與發光效率
平均演色性評價指數(Ra)就是光源使物體表現或重現真實顏色的一種指數，指數愈高，代表顏色重現性愈佳(太陽光的Ra為100)，市場上期盼照明用白光LED能夠兼具高發光效率與高演色性(Ra≧80)，但發光效率與Ra值兩者之間卻存在著效益權衡(Trade-off)特性。由于市場上對于發光效率有更高的要求，因此目前市場上多為Ra≒70的高發光效率LED。
一般白光LED燈的封裝結構是將藍光LED晶片安裝在基板上，再以含有螢光體的樹脂進行封裝。在LED元件的發光色(藍色)與螢光體的發光色(黃色、紅色或綠色等)混合后，步入式恒溫恒濕室便會形成白光。
從發光效率的觀點上來看，一般大多以藍光+黃光來形成白光，但這樣會造成紅光的重現性不佳，因此不適合照明用途。一般所採用的解決方法就是增加紅光的成分，藉此改善紅光的重現性，但如此會有導致發光效率不理想的問題。
為兼顧高發光效率與高Ra值，業者將螢光體有效率地配置于封裝內部，以兩全其美的技術做為解決對策，成功地研發出Ra≧80且發光效率極高的產品。該系列產品無論在Ra或R9(紅色)指數上的表現均十分良好，與Ra值相同的其他廠牌產品相較之下，步入式恒溫恒濕室該系列產品的R9值更高，紅色的重現性也更佳。隨著此項技術的突破，LED燈不但能降低色度的不均，還能因應更細緻的色度等級。
高可靠度
近年來，市場上對于可靠性的相關需求也變得日益高漲。尤其是由于LED封裝反射率較高，一般大多採用鍍銀的方式，不過銀會因為硫化(因與硫磺產生反應而變黑的一種現象)而造成LED光束劣化，該現象對于戶外LED燈造成嚴重問題，因此各家廠商莫不提出各種鍍銀方案的因應對策，但目前此問題仍無法完全獲得改善。
有鑑于此，業界捨棄鍍銀方式，改採鍍鎳/鍍金的方式。將LED封裝鍍銀改為鍍鎳/鍍金后，雖然會導致成本增加，并因反射率的降低而造成發光效率不佳，但經由封裝結構的改善后，目前這些問題都已成功地被克服。
新封裝結構既能維持高發光效率，步入式恒溫恒濕室又能實現高可靠性的LED發光表現，該系列產品即使在硫化試驗中也展現出**的表現，可完全避免光束劣化的現象。
LED小型/薄型化
隨著行動裝置體積輕薄短小化，市場上對于小間距產品的需求逐年強烈，零件也面臨著更多降低高度及縮小尺寸之要求。此外，由于戶外全彩顯示裝置大多採用LED，為提高表現效果，全彩型LED封裝亦朝向更高密度發展。
元件技術
為讓封裝更小、更薄，內部的LED元件也必須同時採用小型薄型規格。因此，業者從晶圓上的發光層成膜到晶片化均採用自行研發的製程技術，終于成功地將磷化鋁鎵銦(AlGaInP)發光LED的元件尺寸縮小至邊角0.13毫米(mm)、厚度t=50微米(μm)，一舉實現小型化目標。
鑄模技術
為確保產品的強度，步入式恒溫恒濕室業者提出針對半導體元件進行樹脂封止的加工方法。樹脂封止加工係採用移轉成形(TransferMold)法，但鑄模模具的模穴會愈來愈薄(模穴厚度0.10毫米)，因此必須確保樹脂的流動性。此外，為確保LED的光學特性，無法對其添加用來確保零件強度的填充材料，如此一來，便會造成產品在機械性強度上的降低，但上述問題目前皆已解決。
組裝技術
在LED晶片的製作上，必須在厚度t=0.10毫米的封止樹脂中對LED元件進行焊線，因此業者採用自行研發的焊線機，成功縮小間距并降低迴路。
目前，世界*小的超小型LED體積僅1006尺寸，厚度僅0.2毫米，此產品不受設置空間的限制，并採用高亮度LED元件，透過LED發光，能夠讓光線從行動電話的外殼內部進行穿透照明。
不但如此，超小型LED還可適用于點矩陣顯示器。傳統的1608尺寸產品*小間距為2毫米，而超小型LED卻能以*小間距1.5毫米進行高密度安裝，因此能展現出更細緻的表現效果。
在其他特色方面，由于該方案的封裝尺寸極小，因此可以用在七段顯示器、點矩陣顯示器模組上，并省略在晶片直接封裝(COB)技術上所必須的晶粒黏著(Die-bonding)、焊線、樹脂接合(Bonding)等製程。
車用LED照明受矚目
隨著LED燈泡及照明用途急速普及化，車用LED照明較以往更受到市場的青睞。在車輛內裝用途上，無論是汽車音響、汽車導航系統或是空調面板等主要背光，目前幾乎已**採用LED光源。接下來，像是目前仍採用傳統燈泡的室內燈及警示燈，以及採用冷陰極管的儀表板背光等也將漸漸地面臨汰換的命運。
在車輛外裝上，近年來像是尾燈、步入式恒溫恒濕室轉向燈、定位燈等傳統燈泡也已逐步被汰換，甚至連頭燈也都由傳統的鹵素燈、高亮度放電(HID)燈轉而被LED燈所取代。若從環境辨識性的觀點上來看，採用LED燈作為晝行燈(Daytime Running Lamps，DRL)的趨勢更是值得關注。
為因應多樣化的車用需求，業界在車用LED技術研發上，將以下列兩項為研發重點。
色度及亮度之客制化需求
在汽車內裝方面，像是空調面板等儀表板周邊的光源大多由車廠來指定顏色。業者所推出的磷化鋁鎵銦元件型LED系列產品，挾元件自製優勢，無論是色彩、光度皆可依客戶要求自行客製化。
其他像是利用氮化銦鎵(InGaN)及含有螢光體的樹脂所成功創造出的白光及粉色LED系列，也能提供色彩客製化功能。像是主要按鍵的背光等使用頻率較高的按鍵，即可藉由微妙的顏色差異突顯其與相鄰按鍵之相異性，藉此喚起使用者的注意。這種磷化鋁鎵銦元步入式恒溫恒濕室件採用在磊晶成長(Epitaxial Growth)階段上抑制波長差異的技術，因此能夠滿足客戶嚴格的規格要求。
研發耐硫化對策/擴充新品
另一方面，市場對于尾燈等車輛外裝用途的LED燈*大要求莫過于耐熱性及對嚴苛氣候的耐受性，但由于傳統的LED封裝的導線架為鍍銀材料，容易產生硫化及光束劣化問題，目前這個問題也開始受到重視。
鑒于此，業界改鍍鎳/鍍鈀/鍍金做為導線架材料，成功解決因硫化所造成的光束劣化問題。另外步入式恒溫恒濕室，對于鍍鎳/鍍鈀/鍍金所引起的光度降低缺點，業者亦研發出新的一系列產品，藉由提高元件本身輸出效率的方式來解決，展現出毫不遜于鍍銀產品的光束強度。未來，業界將採鍍鎳/鍍鈀/鍍金做為封裝硫化改善對策，并積極擴充新的產品系列，以滿足客戶的多樣化需求。