高功率LED发展趋势

高功率LED发展趋势前言：LED自发明以来，时至今日，已深入生活各个角落，因LED本身各方面优势，使传统发光组件正逐一被LED所取代，目前市场正积极导入室内用照明区块。本文：LED，从早期传统的炮弹封装，发展到现在的平板型封装，已经历多年演化，运用在传统的电子零组件或最新型显示器，LED俨然是个不可或缺的角色。LED基本发光原理是利用电子能阶迁移，释放出能量、产生光，最简单的构造是将发光层夹于正负极，导电透过电子能阶让发光层发量。图说：传统型态与新形态各异，使用的层面也不同。图说：在阳极与阴极施加直流电时，电子(＋)和电洞(－)便会在发光层开始会合，并且互相配对结合，透过这种结合，发光层可获得能量，但是此种能量并不稳定，于是又再返回基本的「基底状态」，而再返回基底状态的过程，便发出光亮。制程方面，大体上可分为3步骤，前处理、成膜、封装。前处理着重基板处理，成膜工程则是分别镀上不同的膜，此阶段可决定LED成品的发光属性，最后封装是将基板切割，成为不同型态晶粒。封装的内部也有着不同的型态，有的是采单一晶粒，有的是用多粒晶粒，由于目前并没有制式的规范，各家厂商在开发制造是以应用作考虑，例如:所需的颜色、发光的强度、大小尺寸等。厂商一旦设定好所需颜色，就会选用适当晶粒，再视内部晶粒封装方式弹性选择搭配方法，像是简单的导线封装或是COB封装(chiponboard)，再搭配不同散热性质的基板，像是选择亮度、色度足够？或是散热优先？，如此一来，符合期待的产品就产生了。当市场需要高功率、高亮度、柔和的室内白光源，同样类似的流程就会再跑数次，以期望找到最适化的产品，一旦某个环节达不到客户需求，就会针对该部分重新研究发展。图说：在基板镀上各层属性不同的膜，切割成晶粒，封装即可依需求组装成品。LED发出的光，具有指向性，而且是有高纯度的单色光，这2项特点让使用方式与传统光源有明显差异，例如用于单色指示灯使用时，不需透过特殊配色滤镜，即可直接输出纯色光，节省50%以上能源。而指向性光源，在设计灯具时，也较传统灯具略为不同，实务应用有时可以省略一些反射材料，达到节省、环保目的。目前LED几大厂各自掌握一些核心技术与专利，日亚化学拥有白光专利、飞利浦Lumileds拥有红光专利，制造厂对专利问题都谨慎处理，一不小心诉讼官司就会缠身。RGB3色光开发成功，让LED也正式跨足全彩光谱领域，除了透过三色光混出白色光源，也可以利用三色LED制造出显示器和户外大型广告牌。在研发过程中，在Lumileds任职的RolandHaitz曾提出LED每隔18-24个月，亮度就会提高一倍的理论，而实际上LED亮度早已超越此项理论，使高亮度LED照明可以提早为人类所服务。台湾LED的市场与未来方向台湾的LED产量占世界第一，不但是许多大厂的代工厂，本身也推出许多商品，可与市场应用接轨。电子零件上的用途、显示器的背光用途、或是直接拿来当作显示器、都是已经商化的产品，高功率的LED陆续发表后，取代照明市场是下一个LED所扮演的重要角色。在市场应用中，将LED用于手机背光光源用途，曾出现过高峰需求，而这个高峰期也打开LED的各式应用层面，增加了不少的商机，及材料上的不可取代性。在未来，车用、显示器、各种号志灯、照明、或是其它照明器材，都有机会再创下波应用高峰，其中最令人期待的应用高峰，应是用于显示器及照明用途，目前各大厂都极度看好这2区块的前景，也加紧脚步布局开发新品因应。就LED汽车应用来说，目前仍以车内用途为最大宗，如用于仪表板、阅读灯...等，而车尾指示灯的使用率也逐渐增加中，在2007年LEXUS与AUDI也推出了以LED作车头灯的车款，但这块应用领域，国内还在摸索阶段。图说：LED有机会可取代所有车用传统灯源。图说：LEXUS利用复眼式LED作为车头灯。LED显示器的背光源可大致分2大类，1是利用白光LED光源、另1类是利用彩色光源混成白光。目前的技术层面，白光LED的发光效率较佳，目前普遍用于显示器的背光用途，因LED体积小、不占空间，未来有机会全面替代冷阴极管；而利用彩色LED混光的背光方式，多用于高阶显示器，以强化屏幕画质。图说：LED背光有许多优点，在高阶的显示器产品上，目前有以LED背光取代传统冷阴极管的趋势。而照明市场形态与显示器相仿，虽然强调高亮度、高功率，也多以纯白光为主，但设计师或是终端客户要求演色性或是柔和感，仍会采用多色混色成的白光光源，达到所需效果。在下游厂商切入的角度面来看，显示器和照明应用是壁垒分明的2大领域，而照明区域也区分成装潢或纯照明，小型厂商不愿意投入大量资金切入高功率的系统发展，而比较倾向大型工程的装潢，如营业用广告牌或是建筑物外观，从中间获取较大利益。而中上游厂商则对纯照明用途抱持着积极态度，开发出更贴近传统灯具的LED模块，以期望市场需求增加时，有足够的技术以及产能，满足消费者需求。由于发光特性与传统灯具不同，消费者或是终端用户，会习惯性用传统光源概念去检视LED新商品，设计或是宣传销售上，厂商必须把未来在市场的可能性加以考虑，以便更快的打入市场。高功率LED的用途与需求目前市面上看到LED类型，不外乎是电子零件、广告广告牌、户外大型显示、及室内情境式装潢，真正作为照明用途者非常少，原因在于真正作为照明需求，所需光的质与量，比一般的LED能办到的要高出许多。光线用于照明需求大略可分3种，首先讲求的是光强度、其次是演色性、最后即是光照的均匀度。光的强度足够：才能够远距离的辨识物体，但国内LED厂商对于这部分会以lm/W作基本表示，相对于大家熟悉的烛光反而不使用，原因在于发光的类型截然不同。演色性佳：可以感受灯光带来的舒适感，所得演色性是指物体在太阳光下所呈现得正常颜色，以百分比作基准，Ra-100为100%也就是正常得太阳光源下的表现。高亮度：LED目前最常用得技术是蓝色发光层发出的白光，强度够，但演色性不良，新的技术是利用黄色发光层，发出演色性表现更佳的光源，但这部分牵涉到专利，多数厂商会选用R、G、B三色混光，达到最佳的表现效果。光照的均匀度够，像在室内就可让整个空间明亮表现均衡，而以上的3点正是当前高功率LED最重要的研发课题。目前各家厂商都致力发展高功率的LED产品，虽然已有许多新的成就，但随着功率提高，散热问题势必是第一个面临到的关卡。高功率LED基板未来展望前言：一般使用的功率或是低功率LED封装，普通电子业界用的PCB版及可以满足需求，但是随着市场需求的层次扩大，迎接高功率的时机到来，PCB基板渐渐的不敷使用...内文：在LED产业前景一片看好时，高功率LED是目前大家关注的焦点，发展高功率的利基点，除了考虑台湾产业本身的结构链、高功率的组态和散热方式、散热基板的发展背景以及目前散热基板的技术演进。LED散热的原理与结构高功率的LED，所输入能源只有20%转化成光，其余的都以热的形态消耗掉，若这些热能未能及时的排出外界，那么LED的寿命就会因此大打折扣。那么LED的热能是如何排出的呢？LED散热能力通常受照封装模式、及使用材质的导热性所影响，热的散逸途径不外乎传导、对流、辐射这3大类，而LED的封装材料里积聚的热能，大部分是以传导方散出，所以封装方式和材质选用就相当关键。传统炮弹型封装，以插件式运用，广泛运在家电或是通讯产品的指示灯，常看到的颜色多为红、黄、绿色光等，但因为大部分LED产生的热只能藉由2根导线，往组装的基板上导热，散热效果不佳。平板型的封装方式，因为整体与基板贴合，整体导热面积增加，加上近年来基板材质已针对散热，作许多研发与改良，LED运用也就更为广泛。图说：传统与新型态的封装方式。LED散热基板的种类目前常见的基板种类有，硬式印刷电路板、高热导系数铝基板、陶瓷基板、软式印刷电路板、金属复合材料。硬式印刷电路板(PrintedCircuitBoard；PCB)，多用于各项电子基板，最常见到的就是计算机内部的各项组件，如主机板、显示卡、声卡…等。台湾发展了30多年，有完整的体系，从上游到下游，有助于LED基板的发展。传统的PCB板，无法乘载高功率的热能，发展仍停在低功率的LED，但由于转型、投资、技术等其它考虑，并不会往高功率的LED生产研发方向规划，而会以现有的机台、或是利用其它电子基板技术转移到LED运用上，达到降低成本、提高效率目的。高热导系数铝基板(MetalCorePCB；MCPCB)，，是以PCB将下方基材改为铝合金，一般来说纯铝的散热系数k(W/mK)较铝合金高，但由于纯铝的硬度不高造成使用上的困难，所以会以铝合金的型式，来制作基板。在MCPCB国内厂商发展出不同型态的种类，有以软板取代氧化铝板方式，发挥高效能的散热，也有的厂商改变树脂配方，不但将涂布的关键技术提升，也顾虑到基材的环保问题。图说：传统电子零件用PCB板与LED用PCB板，在材料本质上架构相同，但为了达到不同用途，还是会有微小差异。(许家铭摄)陶瓷基板目前有3大类，Al2O3(氧化铝)、LTCC(低温共烧陶瓷)、AlN(氮化铝)，技术门坎性而言，但AlN最高、LTCC次之。由陶瓷烧结而成得LED基板，有散热性佳、耐高温、耐潮湿等优点。但是价格高出传统基板数倍，所以至今仍不是散热型基板主要组件，但若不考虑价格因素，陶瓷基板是为最佳首选。未来需要耐高温的LED，会以需长时间照明的路灯、需强光照明的医疗灯具...等用途为主，陶瓷基板的优势，要选择需高度散热的商品，且需有完备规格，才能符合生产效益比，才会有前景。图说：不同种类陶瓷基板，以瓦数、内部颜色组件作区分。软式印刷电路板(FPC)具有重量轻、可挠性、厚度薄、运用空间灵活等优点，热传导系数优于传统PCB基板或是MCPCB基板，且应用面积大于陶瓷基板。图说：软性电路板的基本结构，由胶片组成，具有高度可曲挠性，可以用于狭窄空间中。图说：软性电路板已广为运用在LED基板上，其柔软特色，可简单组装在空间狭小的电器内。金属复合技术，学理上热传导率高、导热性好，工研院曾发表过相关技术，但相关技术仍处于实验阶段，良率偏低，目前在市场并没有正式生产。目前市场LED基板选用方式PCB板属于低功率LED封装，而大于1W(瓦)则以MCPCB为主，以亿光电子为例，并没有着重在任何基板种类，而完全是以市场需求和产品特性区分，用适合的素材匹配出最合宜的商品。相对于亿光这类生产多元商品的公司，禾伸堂则把主力放于陶瓷基板产品，一类由公司自行设计规格占总体10%，其余占90%则是由下游厂商委托制造。软板具有可曲挠性，可应用于特殊结构，且热导率与MCPCB接近，特别适用在小体积、需折迭类型的商品。LED散热基板的市场需求量，预估2009年会迅速的膨胀，相机闪光灯、手机面板背光、按键，车用灯、显示器、笔记型计算机、桌上型显示器、电视的背光源，以及室内照明、路灯...等。都将由LED扮演要角，在未来的商机非常可观。高功率LED热效应推动封装基板革命长久以来，显示应用一直是LED的主要诉求，对于LED的散热性要求不甚高的情况下，LED多利用传统树脂基板进行封装。2000年以后，随LED高辉度化与高效率化技术发展，再加上蓝光LED发光效率大幅改善，与LED制造成本持续下滑，让LED应用范围、及有意愿采用LED的产业范围不断扩增，包括液晶、家电、汽车等业者，也开始积极考虑应用LED的可能性，例如消费性产品业者对于高功率LED的期待是，能达到省电、高辉度、长使用寿命、高色再现性，这代表着达到高散热性能力，是高功率LED封装基板不可欠缺的条件。此外，液晶面板业者面临欧盟RoHS规范，需正视将冷阴极灯管全面无水银化的环保压力，造成市场对于高功率LED的需求更加急迫。LED封装除了保护内部LED芯片外，还兼具LED芯片与外部作电气连接、散热等功能。环氧树脂特性已不符合高功率LED需求1个LED能达到几百流明，这基本上不是大问题，主要的问题是，如何去处理散热？接下来在产生这么大的流明后，如何维持亮度的稳定与持续性，这又是另一个重要课题，若热处理没有做好的话，LED的亮度和寿命会下降很快，对于LED来说，如何做到有效