薄膜芯片封装技术 发展照明应用的重点
LED的光源应用,其关键就在芯片技术的核心发展,而影响LED组件发光特性、效率的关键就在于基底材料与晶圆生长技术的差异。
在LED的基底材料方面,除传统蓝宝石基底材料外,硅(Si)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)...等,都是目前LED组件的开发重点,无论所发展的光源应用是照明或是营造气氛的环境光源,涵盖大、小功率应用方式,芯片基底的技术提升,其目标在于制作出更高效率、更稳定的LED芯片。
提高LED芯片的光电效率,已成为LED照明应用技术的关键指标,例如,藉由芯片结构的改变、芯片表面的粗化设计、多量子阱结构的设计形式,透过多重的制程技术改良,目前已能让单个LED芯片的发光效率具有突破性的进展。
而薄膜芯片技术(Thin film LED),则是用以开发高亮度LED芯片的关键技术, 其重点在减少芯片的侧向光损失,透过底部的反射面搭配,可以让芯片超过97%的电光反应,使光从芯片的正面直接输出,大幅提高LED单位流明。
多芯片整合封装 小体积可具高光通量表现
所谓团结力量大,在LED组件封装上亦是如此,如果一次将多LED芯片封装在同一平面上,则可整合出一高功率整合组件。多芯片整合组件同时是目前常见的高功率、高亮度应用LED组件最常见的封装形式,可区分为小功率与大功率两种芯片整合形式。
在小功率应用方面,多数是采取6颗低功率LED芯片整合,制作出来的1瓦大功率LED固态发光组件最常见,而利用6个低功率芯片来整合的1瓦大功率应用,优势在于制作成本相对更低,而且多颗形式若有芯片来源的良率问题,也可利用周边芯片补足应有的性能表现,不至于出现产品良率的负面问题,小功率整合的多芯片封装形式,也是目前大功率LED组件常见的制作形式。
而在大功率芯片整合部分,以Osram的OSTAR SMT系列为例,其封装外型经过优化设计,占位体积相对小,最终组件可让产品的热阻抗控制于每瓦3.1℃左右,驱动功率亦高达15瓦,此种封装设计有颇多优点,尤其可在受限空间内达到一般LED组件少有的高光通量表现。
Chip On Board可有效改善散热问题
COB(Chip On Board) LED多晶灯板,为沿用传统半导体技术发展的应用形式,意即直接将LED芯片固定于印刷电路板(PCB),COB技术目前已有厚度仅0.3mm的LED组件设计。由于LED芯片可直接与PCB板接触来增加热传导面积,因此LED固态光源常见的散热问题也可因此获得改善。
将多数LED组件安排于印刷电路板形成多重LED光源组合,可以提升LED固态光源的照明度,低功率驱动的组件通常会应用核心材料为FR4的一般印刷电路板来进行产品的2次组构,在因应高功率驱动应用时,则会改采以金属核心PCB强化LED组件需要的高散热环境,藉由金属核心PCB来降低热阻抗。
金属核心PCB即为使用MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board),使组件能满足较低热阻的设计要求,典型的MCPCB设计架构是在金属平面形成的线路同时以薄层进行隔离设计,而电路走线必须采用镍金属化合物提供产线可焊接的加工表面,隔离层又必须具备避免短路、同时不会牺牲散热速率的薄化设计,以便将热传导过程的热阻降到最低。多数选择铝材料作为核心,具有成本低廉、散热能力佳与较好的抗腐蚀性等优点。
比较新的制作方式,是将LED芯片直接安装于印刷电路板上,或者搭配具随插即用功能的组件进行整合,而COB的封装形式,其目的在于提供比现有离散排布的LED组件具更高效能、更低热阻抗的产品形式,让终端产品可以经由简单的二度开发,制出足以进军照明市场的成熟产品。