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封裝技術與材料推動LED發光效能

    作者:宏拓新軟件
    發布日期:2008-02-27         
閱讀:53     
 
 
          LED照明的革命性變遷,就像真空管到晶體管,及CRT到Flat Panel Display是革命性的突破一樣,照明從1980年開始是一個很大的革命,自1830年愛迪生發明燈泡,到目前為止,大部分還是氣體放電,將近100多年,一直沒有太大的改變,雖然效率有所提升,但在基本的材料技術上并沒有多太多的變化,但是在固態照明(Solid State Light)出現后,才是照明技術真正的革命性的突破,所以看待固態照明這樣的變化,就像晶體管及Flat Panel Display都是跨革命的成就。
    
       因為技術與材料的突破,整個照明產業慢慢的起了微妙的變化。在過去,提到照明組件業者,大家會想到GE、歐司朗(OSRAM)、飛利浦等,這些都是生產照明組件相當大的業者之一,但是固態照明被開發出來后,產業就出現一些改變,例如,飛利浦(Philips)和Aglent合資成立了Lumileds,而Osram就成立了Osram照明等新公司慢慢向半導體產業傾斜。
    
     ■2007年高亮度LED市場規模將達到1,200億
    
       全球2005年LED市場規模大概在新臺幣1,700億元左右,可見光(Visible)LED的市場比例大約占了68%,另外的32%的市場比例屬于紅外光。2003年∼2007年間,紅外光的市場年平均規模約在新臺幣500∼600億元左右,但可見光的市場規模,因為高亮度的成長,將會從2003年的928億元成長到2007年的1,500億元,而整個Growth Rate的部分,可見光 LED 5年年平均大概是在12%左右,Infrared則是相當穩定的維持在5%,整體LED的市場成長率約在10%左右。
    
       在市場中成長幅度最大的是屬于高亮度(High Brightness)LED,在2004年的1,600億元市場規模中,高亮度LED的部分大約為800億元左右,預計到2007年的時候,將成長到1,200億元的市場規模。
    
       目前一般對于高亮度的定義,仍舊是指發光亮度在8流明以上、以4元發光材料生產的LED,例如AlGaInN、GaN等,每年平均成長率(Average Growth Rate)大概是在14%左右,另外,在一般亮度的LED市場成長的部分,預計在未來將維持相當平穩300億元規模的市場規模,不容易有大幅度成長或衰退的情況。
    
       Mobile phone是帶動高亮度 LED成長的一個重要動力,從2003∼2005年,高亮度LED有相當大成長在Mobile phone這個應用上應用,目前手機上的背光源及按鍵燈源大多都是使用高亮度LED。
    
       不過,到2005年為止,高亮度 LED在手機上的應用已經到了一個成長瓶頸,由于LED的發光效率愈來愈高,所以,未來使用的LED的數量反而會越來越少,甚至價格也越來越激烈。在應用用途上,除了會因為照相功能而增加一個閃光用LED以外,基本上市場的規模已經到了飽和的程度,預計2005年約為450億元,與2004年相差無幾,相信未來這兩年不會有太大的變化。
    
       對于未來的發展,大多數人最看好、成長速度最快的應該是車用市場,不過,以目前的應用狀況來看至少還需要二、三年才能普及到整個市場。現在整體使用LED為光源的大概還是概念車,但基本上,就發展的趨勢來看,從汽車的內裝到外部燈源在未來將是很大的一塊市場。
    
     ■高亮度LED將搶占白熱燈泡照明市場
    
       對于白光High Power LED來說,照明市場將會是非常大的一個市場,預計在3∼5年后達到一個產業規模,預估 2005年的照明市場規模,約在130億美元(新臺幣4,000億元)左右,雖然白光High Power LED的5年市場規模總額達到了4億美元(新臺幣120億元),但是相對于整個照明的市場來說,還是非常的小。
    
       以發光亮度及效率來看,雖然LED的效率是高于白熱燈泡(白熱燈泡大概8∼10流明/瓦),但是,就發光亮度來看還是低于熒光燈或者鹵素燈。不過,單純Replace白熱燈的市場就已經是一個相當大的市場,2005年全球總規模約130億美元的照明市場中,白熱燈泡的比例約占了27%白熱燈泡,所以在照明的這一項應用中,白光High Power LED是有相當的市場發展空間。
    
       而就燈源的取代角度來看,以目前LED的技術以及價格情況,在10流明/瓦以下的應用,LED有立即取代的條件,例如紅綠燈、小型燈泡等等的應用。
    
     ■2007年預計可降到0.02美元/流明
    
       從(圖五)可以看出LED成本與發光效率的演變,在過去20年中LED的發光效率一直維持很穩定且快速的進步,而在流明價格比的方面,也是維持在一定的減低速度,以2005年來講,大約0.2美元/流明,2006、2007年預計可以降到0.02美元/流明,如果期望應用在照明市場,最終降到0.01美元/流明,在未來的幾年內是很有可能的,在中國大陸是以節能為目標也極力的在推動LED的照明,目標在2007年達到0.02美元/流明。所以可以說,價格是技術進步的原動力,因為技術永遠比不上價錢上的壓力。
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封裝技術與材料推動LED發光效能
作者:佚名 文章來源:不詳 點擊數: 66 更新時間:2007-9-21 21:26:34 | 【字體:
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       就市場的競爭力而言,流明價格比降低的速度越快越好,但是要如何去做到,這是有相當多的門坎存在,核心技術還是在LED封裝上面,雖然現在LED封裝制程已經是相當成熟了,但是,因為價格這樣的驅動力量,使得LED的封裝包括材料等等都需要再做革命。  
    
     長久以來,LED封裝的制程沒有太大的轉變,其實材料是很大的一個因素,因為封裝材料一直沒有革命性的突破。但是,在面對多樣化應用的今天,LED封裝材料已經開始進行一些改善。
    
     ■熱處理是LED封裝的關鍵
    
       LED的亮度部分,材料是相當重要的一個關鍵,不管是Epitaxy或芯片,先天上已經決定了LED 50%的亮度,而另外的50%就會取決在LED的封裝技術及封裝材料。對于LED封裝來講,大家所追求的是怎樣把一個LED封裝流明數做得越大越好?
    
       經過封裝的過程,一個LED能達到幾百個流明,這基本上不是一個很大的問題,主要的問題是如何去處理散熱,然后接下來,在產生這么大的流明后,如何維持他的流明,這又是另外一個問題,如果熱處理(Thermal Management)沒有做好的話,LED的亮度和壽命下降的會很快,所以對于LED來說,如何做到有效的可靠度和Thermal Management,是非常重要。
    
       因為手機應用市場的原因,這兩年臺灣高亮度LED發展的非常快,這是因為手機的應用要求不是很高,所以,以今天臺灣的封裝技術而言,在手機上的應用還是足以負荷的,但是,在未來面對戶外看板、車用外部燈源,這對臺灣的LED封裝業者來說就是一個很大的挑戰,所以,從這方面來看,國外的LED大廠,在技術上還是有一些領先的地位。
    
     ■如何去消除因為追求高亮度所產生的Thermal
    
       在LED的PN Junction中,光的效率越高,相對的熱產生就會越少,但是很不幸的,大部分光的取出效率只有20∼30%,其它部分都變成熱了,Thermal Resistance Management是怎樣從Junction中所產生的熱送到LED封裝中的Pad,對于高取光效率封裝來說是很重要的一件事。
    
       而在這個過程中,怎么樣去消除LED的Temperature,不要造成太大的Thermal效應,對于LED封裝來講,基本上都是在做Thermal的Conduction。而如何把Junction Temperature能夠降低(因為對半導體來講最致命的就是Thermal),這是一
個重要的課題。
    
       目前所有的LED封裝材料都是樹脂,樹脂1玻璃轉化溫度約在100∼120℃左右,在Maintain Junction Temperature時,最好不要超過100℃,如果超過110∼120℃,那么這樣的封裝就會有一些risk。 
    
      最近有一些新的封裝觀念和技術出現,例如Lumileds的Luxeon第二代k2,比LuxeonⅠ大幅提高了光功率。透過改量芯片,將光效能提高了10∼30%。而在溫度的方面將Junction Temperature由135℃提高至185℃。對材料的概念會被顛覆,所以說樹脂是不是最佳的LED封裝材料呢?在面對未來的應用環境及產品,還有相當多可以討論的地方,其實在整個LED封裝里面,如果可以利用玻璃或是其它材料的話,Junction Temperature還可以再做更好的控制。  
    
     怎么去降低熱阻抗?實際上Flip芯片的封裝方式是一個很好的方式和例子,AlGaInP是一個非常不好的熱導體,差不多大概只有35℃左右而已,而GaN是一個比較好的熱導體,大概有200℃左右,利用Flip芯片的封裝方式可以把Thermal降到更低。在中可以看到,紅色的部分就是LED部分,大概有83℃左右的Junction Temperature,其實比較好的Thermal Solution還可以加上一片薄膜,例如加上一個Heat Sink。
    
       而封裝業者就需要增加這樣的Solution給系統廠商,然而,對于這片Heat Sink如何去做optimum design,怎么去改變他們的形狀、高度、厚度,得到一個最佳的狀況?都可以利用軟件去做simulation。其實有一個不變的概念就是把Temperature Grading越均勻越好。升降的幅度不要過大,如果沒辦法很均勻的分散到LED封裝結構上去,Grading如果比較大將會造成Junction Temperature比較高。
 

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