高亮度LED之封装光通原理技术分析
编者按：毫无疑问的，这个世界需要高亮度发光二极管（High Brightness Light-Emitting Diode；HB LED），不仅是高亮度的白光LED（HB WLED），也包括高亮度的各色LED，且从现在起的未来更是积极努力与需要超高亮度的LED（Ultra High Brightness LED，简称：UHD LED）。
用LED背光取代手持装置原有的EL背光、CCFL背光，不仅电路设计更简洁容易，且有较高的外力抗受性。用LED背光取代液晶电视原有的CCFL背光，不仅更环保而且显示更逼真亮丽。用LED照明取代白光灯、卤素灯等照明，不仅更光亮省电，使用也更长效，且点亮反应更快，用于煞车灯时能减少后车追撞率。
所以，LED从过去只能用在电子装置的状态指示灯，进步到成为液晶显示的背光，再扩展到电子照明及公众显示，如车用灯、交通号志灯、看板讯息跑马灯、大型影视墙，甚至是投影机内的照明等，其应用仍在持续延伸。
更重要的是，LED的亮度效率就如同摩尔定律（Moore's Law）一样，每24个月提升一倍，过去认为白光LED只能用来取代过于耗电的白炽灯、卤素灯，即发光效率在10∼30lm/W内的层次，然而在白光LED突破60lm/W甚至达100lm/W后，就连荧光灯、高压气体放电灯等也开始感受到威胁。
虽然LED持续增强亮度及发光效率，但除了最核心的荧光质、混光等专利技术外，对封装来说也将是愈来愈大的挑战，且是双重难题的挑战，一方面封装必须让LED有最大的取光率、最高的光通量，使光折损降至最低，同时还要注重光的发散角度、光均性、与导光板的搭配性。
另一方面，封装必须让LED有最佳的散热性，特别是HB（高亮度）几乎意味着HP（High Power，高功率、高用电），进出LED的电流值持续在增大，倘若不能良善散热，则不仅会使LED的亮度减弱，还会缩短LED的使用寿命。
所以，持续追求高亮度的LED，其使用的封装技术若没有对应的强化提升，那么高亮度表现也会因此打折，因此本文将针对HB LED的封装技术进行更多讨论，包括光通方面的讨论，也包括热导方面的讨论。
附注：大陆方面称为「发光二极管」。
附注：一般而言，HB LED多指8lm/W（每瓦8流明）以上的发光效率。
附注：一般而言，HP LED多指用电1W（瓦）以上，功耗瓦数以顺向导通电压乘以顺向导通电流（Vf×If，f＝forward）求得。
■裸晶层：「量子井、多量子井」提升「光转效率」
虽然本文主要在谈论LED封装对光通量的强化，但在此也不得不先说明更深层核心的裸晶部分，毕竟裸晶结构的改善也能使光通量大幅提升。
首先是强化光转效率，这也是最根源之道，现有LED的每瓦用电中，仅有15％∼20％被转化成光能，其余都被转化成热能并消散掉（废热），而提升此一转换效率的重点就在p-n接面（p-n junction）上，p-n接面是LED主要的发光发热位置，透过p-n接面的结构设计改变可提升转化效率。
▲量子井（Quantum Well；QW）的结构图。（郭长佑制图）
关于此，目前多是在p-n接面上开凿量子井（Quantum Well；QW），以此来提升用电转换成光能的比例，更进一步的也将朝更多的开凿数来努力，即是多量子井（Multiple Quantum Well；MQW）技术。
■裸晶层：「换料改构、光透光折」拉高「出光效率」
如果光转效率难再要求，进一步的就必须从出光效率的层面下手，此层面的作法相当多，依据不同的化合材料也有不同，目前HB LED较常使用的两种化合材料是AlGaInP及GaN/InGaN，前者用来产生高亮度的橘红、橙、黄、绿光，后者GaN用来产生绿、翠绿、蓝光，以及用InGaN产生近紫外线、蓝绿、蓝光。
至于作法有哪些？这包括改变实体几何结构（横向转成垂直）、换用基板（substrate，也称：衬底）的材料、加入新的材料层、改变材料层的接合方式、不同的材料表面处理等。不过，无论如何变化，大体都不脱两个要则：一、降低遮蔽、增加光透率。二、强化光折射、反射的利用率。
举例来说，过去AlGaInP的LED，其基板所用的材料为GaAs，然黑色表面的GaAs使p-n接面散发出的光有一半被遮挡吸收，造成光能的浪费，因此改用透明的GaP材料来做基板。又如日本日亚化学工业（Nichia）在GaN的LED中，将p型电极（p type）部分做成网纹状（Mesh Pattern），以此来增加p极的透明度，减少光阻碍同时提升光透量。
至于增加折反射上，在AlGaInP的结构中增加一层DBR（Distributed Bragg Reflector）反射层，将另一边的光源折向同一边。GaN方面则将基板材料换成蓝宝石（Sapphire，Al2O3，三氧化二铝）来增加反射，同时将基板表面设计成凹凸纹状，藉此增加光反射后的散射角度，进而使取光率提升。或如德国欧司朗（OSRAM）使用SiC材料的基板，并将基板设计成斜面，也有助于增加反射，或加入银质、铝质的金属镜射层。
▲亮度提升的LED已经跨足到公众场合的号志应用，此为国内工地外围的交通方向指示灯，即是用HB LED所组构成。（郭长佑摄影）
附注：AlGaInP（磷化铝镓铟）也称为「四元发光材料」，即是以Al、Ga、In、P四种元素化合而成。
附注：在一般的图形结构解说时，p-n接面也称为「发光层，emitting layer或active layer、active region」。
附注：除了减少光遮、增加反射外，有时换用不同技术的用意是在于规避其它业者已申请的专利。
▲各种AlGaInP LED的发光效能强化法，由左至右为技术先进度的差别，最左为最基础标准的LED几何结构，接着开始加入DBR（Distributed Bragg Reflector）反射层，再来是有DBR后再加入电流局限（Current Blocking）技术，而最右为晶元光电的OMA（Omni-directional Mirror Adherence）全方位镜面接合技术，该技术也将基板材质从GaAs换成Si。（图片来源：晶元光电）
▲对GaN、InGaN化合材料的LED而言，也有其自有的一套制程结构光通强化法，以德国OSRAM来说，1999年还在使用标准结构，2002年就进展到ATON结构，2003年换成更佳的NOTA结构，2005年则是ThinGaN结构。（图片来源：晶元光电）
■封装层：抗老化黄光、透光率保卫战
从裸晶层面努力增加光亮后，接着就正式从封装层面接手，务使光通维持最高、光衰减至最少。
要有高的流明保持率（Transmittance，透光率、穿透率，以百分比单位表示），第一步是封装材质，过去LED最常用的是环氧树脂（epoxy），不过环氧树脂老化后会逐渐变黄（因「苯环」成份），进而影响光亮颜色，尤其波长愈低时老化愈快，特别是部分WLED使用近紫外线（Near ultraviolet）发光，与其它可见光相比其波长又更低，老化更快。
新的提案是用硅树脂（silicone）换替环氧树脂，例如美国Lumileds公司的Luxeon系列LED即是改采硅封胶。
使用硅胶的不只是Lumileds Luxeon，其它业者也都有硅胶方案，如通用电气．东芝（GE Toshiba）公司的InvisiSi1，东丽．道康宁（Dow Coring Toray）的SR 7010等也都是LED的硅胶封装方案。
硅胶除了对低波长有较佳的抗受性、较不易老化外，硅胶阻隔近紫外线使其不外泄也是对人体健康的一种保护，此外硅胶的光透率、折射率、耐热性都很理想，GE Toshiba的InvisiSi1具有高达1.5∼1.53的折射率，波长范畴在350nm∼800nm间的光透率达95％，且波长低至300nm时仍有75％∼80％的光透，或者与折射率进行取舍，将折射率降至1.41，如此即便是300nm波长也能维持95％的光透性。同样的，Dow Coring Toray的SR 7010在405nm波长以上时光透率达99％，且硬化处理后折射率亦有1.51，另外耐热上也都能达180℃∼200℃的水准，关于热的问题我们在此暂不讨论。
此外，也有业者提出所谓的无树脂封装，即是用玻璃来作为外套保护，或如日本京瓷（Kyocera）提出的陶瓷封装，都是为了抗老化而提出，其中陶瓷也有较佳的耐热效果。
▲Lumileds Lighting公司的Luxeon系列LED（InGaN）的横切面图，从图中可知Luxeon用硅封装进行裸晶防护，而非传统的环氧树脂。（图片来源：Lumileds.com）
▲随着使用时间的增长，LED的光通量也会逐渐降低，图中是两个LED的寿命光通量曲线比较，下方蓝色线为一般5mm的WLED指示灯，上方红色线则是高功率LED照明灯。（图片来源：Lumileds.com）
附注：另一个加速环氧树脂老化变黄的因素来自温度，高温会加速老化。
■封装层：透镜的透射 反射杯的反射、折射
前述的封装主要在于保护LED裸晶，并在保护之余尽可能让光热忠实向外传递，接下来还是在封装层面，不过不再是内覆的Resin部分，而是外盖的Lens部分。
在用胶封装完后，依据LED的不同用途会有各种不同的接续作法，例如做成一个一个的独立封装组件，过去最典型的单颗LED指示灯即是如此，另一种则是将多个LED并成一个整体性组件，如七段显示器、点阵型显示器等。此外焊接脚位方面也有两种区分，即穿孔技术（Through-Hole Technology；THT）及表面黏着技术（Surface-Mount Technology；SMT）。
在此暂且不谈论群集性的七段显示器、点阵型显示器，而就逐一独立、分离、离散性的封装来说，也要因应不同的应用而有不同的封装外观，若是与过往LED相同是做为穿孔性焊接的状态指示灯则只要采行灯泡（Lamp）型态的封装（今日也多俗称成「炮弹型」），即便确定是此型也还有透镜型态（Lens Type）的区别，如典型Lamp、卵椭圆Oval、超卵椭圆Super Oval、平直Flat等。而若是表面黏着型，也有顶视Top View、边视Side View、圆顶Dome等。
为何要有各种不同的透镜外型？其实也有各自的应用需求，就一般而言，Lamp用来做指示灯号、Oval用于户外标示或号志、Top View用来做直落式的背光、Flat与Side View配合导光板（Guide Plate：LGP）做侧边入光式的背光、Dome做为小型照明灯泡、小型闪光灯等。
外型不同、应用不同，发光的可视角度（View Angle）也就不同，此部分也就再次考验封装设计，运用不同的设计方式，可以获得不同的发光角度、光强度、光通量，此方面常见的作法有四：中轴透镜Axial lens、平直透镜Flat lens、反射杯Reflective cup、岛块反射杯Reflective cup by island。
一般的Lamp用的即是中轴透镜法，Dome及Oval/Super Oval等也类似，但Oval/Super Oval的光亮比Lamp更集中在轴向的小角度内。而Flat则是用平直透镜法，好处是光视角比中轴透镜法更大，但缺点是光通量降低、光强度减弱。至于Top View、Side View等则多用反射杯或岛块反射杯，此作法是在封装内加入反射镜，对部分发散角度的光束进行反射、折射等收敛动作，使角度与光强度能取得平衡。
就技术难易来说，只用上透镜的Axial lens、Flat lens确实较为简易，只要考虑透射与光束发散性，相对的有Reflective cup就不同了，原有的透射、发散一样要考虑，还要追加考虑反射、折射以及光束收敛，确实更加复杂。
还有，我们还没讨论材质，透镜部分除了可持续用原有的覆胶材质外也可以改用其它材质，因为透镜已较为讲究光透而较不讲究裸晶防护，如此还可采行塑料（Plastic）、压克力（Acrylic）、玻璃（Glass）、聚碳酸酯（Polycarbonate）等，且如之前所述，光透性与波长有关，不同波长光透度不同，再加上有不同的材质可选择，甚至要为透镜上色，好增加光色的对比度，或视应用场合的装饰效果（玩具、耶诞树），还有前面的透镜、反射杯等几何设计等，以上种种构成了LED光通上的第四道课题。
附注：今日有的LED也在Lamp型封装内使用反射杯技术。
■结尾
最后，HB LED被人强调为「绿色照明」，言下之意「环保」是其很大的诉求点，所以不仅要无铅（Pb Free）封装，还要合乎今日欧洲RoHS（Restriction of Hazardous Substances Directive，限用危害物质指令）的法令规范，无论封装与LED整体都不能含有汞、镉、六价铬（hexavalent chromium）、多溴联苯（PolyBrominated Biphenyls；PBB）、多溴联苯醚（PolyBrominated Diphenyl Ether；PBDE）等环境有害物，此外WEEE（Waste Electrical and Electronic Equipment directive，废弃电子电机设备指令）等其它相关法规也必须遵守。
当然！前面我们也已经约略提到封装物必须能封阻与抗受低波长、紫外光，还要有一定的硬度来抗受机械外力，以及耐热性，此外绝缘、抗静电、抗湿也都必须注意。
更重要的是，无论您要不要高亮度，都必须尽可能将光亮导出，因为，若不能忠实导出光能，光能在封装层内被吸收，就会转化成热能，为封装上的散热问题又添一项顾虑因素，事实上LED的热若不能顺利排解与降低，成为热负荷，反过来一样要伤害LED本体，包括亮度也会受到影响，因此，达到最佳、最理想的光通，是封装设计必然要重视的一课！
▲Lambda Research Corporation的OSLO是专门用来设计透镜的软件，图为OSLO EDU Edition（教育版）Revision 6.4.1，且已开启「透镜数据库」中的某一设计模板：8mm、0.5 NA的雷射二极管准直仪，图右下部分为其光射线的轨迹分析。
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