白光LED

白光LED發光的方式主要按使用LED發光二極體的使用數量可以分為單晶型和多晶型兩種類型。

一種是多晶型，即使用兩個或兩個以上的互補的2色LED發光二極體或把3原色LED發光二極體做混合光而形成白光。採用多晶型的產生白光的方式，因為不同的色彩的LED發光二極體的驅動電壓、發光輸出、溫度特性及壽命各不相同，因此在使用多晶型LED發光二極體的方式產生白光，比單晶型LED產生白光的方式複雜，也因LED發光二極體的數量多，也使得多晶型LED的成本亦較高；若採用單晶型，則只要用一種單色LED發光二極體元素即可，而且在驅動電路上的設計會較為容易。

另一種是單晶型，即一隻單色的LED發光二極體加上相應的熒光粉，就如同日光燈的發光方式一樣，採用LED發光二極體激發熒光粉發光。通常採用兩種方式，一種方式是藍光LED發光二極體激發黃色熒光粉產生白光，另一種方式是紫外光LED激發RGB三波長熒光粉來產生白光。許多廠商主要從事白光LED的研究，通常都先從藍光LED開始研發及量產，有了藍光LED的技術之後再開始研發白光LED，然而目前最常用藍光LED激發黃色熒光粉來產生白光，但是用藍光LED來發白光的方式的發光效率仍然不足，許多廠商開始向另外一個方向就是往紫外光LED來發展，利用紫外光LED加RGB三波長熒光粉來達到白光的效果，其發光效率比藍光好上許多。而紫外光LED加RGB三波長熒光粉的方法，則關鍵技術在高效率的熒光體合成法，也就是如何把熒光粉有效的附著在晶粒上的一項技術。

從實驗的結果來看，晶片對光衰的影響分為兩大類：第一是晶片的材質不同導致衰減不同，常用的藍光晶片襯底材質為碳化硅和藍寶石，碳化硅一般結構設計為單電極，其導熱效果比較好，藍寶石一般設計為雙電極，熱量較難導出，導熱效果較差；第二是晶片的尺寸大小，在晶片材質相同時，尺寸大小不同衰減差距也不同。

在白光LED封裝行業中通常用到的固晶膠有環氧樹脂絕緣膠、硅樹脂絕緣膠、銀膠。三者各有利弊，在選用時要綜合考慮。環氧樹脂絕緣膠導熱性差，但亮度高；硅樹脂絕緣膠導熱效果比環氧樹脂稍好，亮度高，但由於硅成分佔一定比例，固晶片時旁邊殘留的硅樹脂與熒光膠里的環氧樹脂相結合時會產生隔層現象，經過冷熱衝擊后將產生剝離導致死燈；銀膠的導熱性比前兩者都好，可以延長LED晶元的壽命，但銀膠對光的吸收比較大，導致亮度低。對於雙電極藍光晶片在用銀膠固晶時，對膠量的控制也很嚴格，否則容易產生短路，直接影響到產品的良品率。

實現白光LED的途徑有多種，目前使用最為普遍最成熟的一種是通過在藍光晶片上塗抹一層黃色熒光粉，使藍光和黃光混合成白光，所以熒光粉的材質對白光LED的衰減影響很大。市場最主流的熒光粉是YAG釔鋁石榴石熒光粉、硅酸鹽熒光粉、氮化物熒光粉，與藍光LED晶元相比熒光粉有加速老化白光LED的作用，而且不同廠商的熒光粉對光衰的影響程度也不相同，這與熒光粉的原材料成分關係密切。

傳統封裝的白光LED，熒光膠一般採用環氧樹脂或硅膠，經過光衰實驗的結果得出，用硅膠配粉的白光LED壽命明顯比環氧樹脂的長。原因之一是用以上兩種方法封裝成成品LED，硅膠比環氧樹脂抗UV能力強且硅膠散熱效果比環氧樹脂好；但在相同條件下，用硅膠配粉的初始亮度要比環氧樹脂配粉的要低，最主要是由於硅膠的折射率（1.3-1.4）比環氧樹脂（1.5以上）低，所以初始光效不及環氧樹脂高。

LED支架主要有銅支架和鐵支架。銅支架導熱、導電性能好，價格高。而鐵支架的導熱、導電性能相對較差，更容易生鏽，但價格便宜。市場上的LED大部分使用鐵支架。不同材料的支架對LED的性能影響也不同，特別是對光衰的影響尤為突出。這主要是由於銅的導熱性能比鐵的好很多，銅的導熱係數398W（m.k）,而鐵的導熱係數只有50W（m.k）左右，僅為前者的1/8，還有支架的電鍍層厚度也密切相關。在選用支架時，還要注意支架的碗杯大小是否與發光晶元以及模粒匹配，其匹配質量的優劣，直接影響白光LED的光學效果，否則容易造成光斑形狀不對稱、有黃圈，以及黑斑等，直接影響到產品的質量。

眾所周知，可見光光譜的波長範圍為380nm～760nm，是人眼可感受到的七色光——紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，但這七種顏色的光都各自是一種單色光。例如LED發的紅光的峰值波長為565nm。在可見光的光譜中是沒有白色光的，因為白光不是單色光，而是由多種單色光合成的複合光，正如太陽光是由七種單色光合成的白色光，而彩色電視機中的白色光也是由三基色紅、綠、藍合成。由此可見，要使LED發出白光，它的光譜特性應包括整個可見的光譜範圍。但要製造這種性能的LED，現在的工藝條件下是不可能的。根據人們對可見光的研究，人眼睛所能見的白光，至少需兩種光的混合，即二波長發光(藍色光+黃色光)或三波長發光(藍色光+綠色光+紅色光)的模式。上述兩種模式的白光，都需要藍色光，所以攝取藍色光已成為製造白光的關鍵技術，即當前各大LED製造公司追逐的“藍光技術”。國際上掌握“藍光技術”的廠商僅有少數幾家，所以白光LED的推廣應用，尤其是高亮度白光LED在我國的推廣還有一個過程。

對於一般照明，在工藝結構上，白光LED通常採用兩種方法形成，第一種是利用“藍光技術”與熒光粉配合形成白光；第二種是多種單色光混合方法。這兩種方法都已能成功產生白光器件。

白光LED照明新光源的應用前景。為了說明白光LED的特點，先看看所用的照明燈光源的狀況。白熾燈和鹵鎢燈，其光效為12～24流明/瓦；熒光燈和HID燈的光效為50～120流明/瓦。對白光LED：在1998年，白光LED的光效只有5流明/瓦，到了1999年已達到15流明/瓦，這一指標與一般家用白熾燈相近，而在2000年時，白光LED的光效已達25流明/瓦，這一指標與鹵鎢燈相近。2012年，白光LED的光效已達120流明/瓦，白光LED作家用照明光源開始推廣普及。預計到2020年時，LED的光效可望達到200流明/瓦。

普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價格便宜，但光效低(燈的熱效應白白耗電)，壽命短，維護工作量大，但若用白光LED作照明，不僅光效高，而且壽命長(連續工作時間10000小時以上)，幾乎無需維護。德國Hella公司利用白光LED開發了飛機閱讀燈；澳大利亞首都堪培拉的一條街道已用了白光LED作路燈照明；我國的城市交通管理燈也正用白光LED取代早期的交通秩序指示燈。可以預見不久的將來，白光LED定會進入家庭取代現有的照明燈。

LED光源具有使用低壓電源、耗能少、適用性強、穩定性高、響應時間短、對環境無污染、多色發光等的優點，雖然價格較現有照明器材昂貴，仍被認為是它將不可避免地現有照明器件。

高功率白光LED散熱與壽命問題改善設計

高功率白光LED應用於日常照明用途，其實在環保光源日益受到重視后，已經成為開發環保光源的首要選擇。但實際上白光LED仍有許多技術上的瓶頸尚待克服，已有相關改善方案，用以強化白光LED在發光均勻性、封裝材料壽命、散熱強化等各方面設計瓶頸，進行重點功能與效能之改善。

環保光源需求增加 高功率白光LED應用出線

LED光源受到青睞的主因，不外乎產品壽命長、光電轉換效率高、材料特性可在任意平面進行嵌裝等特性。但在發展日常照明光源方面，由於需達到實用的“照明”需求，原以指示用途的LED就無法直接對應照明應用，必須從晶元、封裝、載板、製作技術與外部電路各方面進行強化，才能達到照明用途所需的高功率、高亮度照明效用。

就市場需求層面觀察，針對照明應用市場開發的白光LED，可以說是未來用量較高的產品項目，但為達到使用效用，白光LED必須針對照明應用進行重點功能改善。其一是針對LED晶元進行強化，例如，增加其光-電轉換效率，或是加大晶元面積，讓單個LED的發光量(光通量)達到其設計極限。其二，屬於較折衷的設計方案，若在持續加大單片LED晶元面積較困難的前提下，改用多片LED晶元封裝在同一個光源模組，也是可以達到接近前述方法的實用技術方案。

以多晶元封裝滿足低成本、高亮度設計要求

就產業實務需求檢視，礙於量產彈性、設計難度與控制產品良率/成本問題，LED晶元持續加大會碰到成本與良率的設計瓶頸。一昧的加大晶元面積可能會碰到的設計困難，並非技術上與生產技術辦不到，而是在成本與效益考量上，大面積之LED晶元成本較高，而且對於實際製造需求的變更設計彈性較低。

反而是利用多片晶元的整合封裝方式，讓多片LED小晶元在載板上的等距排列，利用打線連接各晶元、搭配光學封裝材料的整體封裝，形成一光源模組產品，而多片封裝可以在進行晶元測試后，利用二次加工整合成一個等效大晶元的光源模組，但卻在製作彈性上較單片設計LED光源用元件要更具彈性。

同時，多片之LED晶元模組解決方案，其生產成本也可因為晶元成本而大幅降低，等於在獲得單片式設計方案同等光通量下，擁有成本更低的開發選項。

多晶元整合光源模組 仍需考量成本效益最大化

另一個發展方向，是將LED晶元面積持續增大，透過大面積獲得高亮度、高光通量輸出效果。但過大的LED晶元面積也會出現不如設計預期之問題，常見的改進方案為修改復晶的結構，在晶元表面進行製作改善；但相關改善方案也容易影響晶元本身的散熱效率，尤其在光源應用的LED模組，大多要求在高功率下驅動以獲得更高的光通量，這會造成晶元進行發光過程中晶元接面所彙集的高熱不容易消散，影響模組產品的應用彈性與主/被動散熱設計方案。

一般設計方案中，據分析採行7mm2的晶元尺寸，其發光效率為最佳，但7mm2大型晶元在良率與光表現控制較不易，成本也相對較高；反而使用多片式晶元，如4片或8片小功率晶元，進行二次加工於載板搭配封裝材料形成一LED光源模組，是較能快速開發所需亮度、功率表現之LED光源模組產品的設計方案。

例如Philips、OSRAM、CREE等光源產品製造商，就推出整合4、8片或更多小型LED晶元封裝之LED光源模組產品。但這類利用多片LED晶元架構的高亮度元件方案也引起了一些設計問題，例如：多顆LED晶元組合封裝即必須搭配內置絕緣材料，用以避免各別LED晶元短路現象；這樣的製程相對於單片式設計多了許多程序，因此即使能較單片式方案節省成本，也會因額外絕緣材料製程而縮小了兩種方案的成本差距。

應用晶元表面製程改善 也可強化LED光輸出量

除了增加晶元面積或數量是最直接的方法外，也有另一種針對晶元本身材料特性的發光效能改善。例如，可在LED藍寶石基板上製作不平坦的表面結構，利用此一凹凸不規則之設計表面強化LED光輸出量，即為在晶元表面建立Texture表面結晶架構。

OSRAM即有利用此方案開發Thin GaN高亮度產品，於InGaN層先行形成金屬膜材質、再進行剝離製程，使剝離后的表面可間接獲得更高的光輸出量!OSRAM號稱此技術可以讓相同的晶元獲得75%光取出效率。

另一方面，日本OMRON的開發思維就相當不同，一樣是致力榨出晶元的光取出效率，OMRON即嘗試利用平面光源技術，搭配LENS光學系統為晶元光源進行反射、引導與控制，針對傳統炮彈型封裝結構的LED產品常見的光損失問題，進一步改善其設計結構，利用雙層反射效果進而控制與強化LED的光取出量，但這種封裝技術相對更為複雜、成本高，因此大多僅用於LCD TV背光模組設計。

LED照明應用仍須改善元件光衰與壽命問題

如果期待LED光源導入日常照明應用，其應用需克服的問題就會更多！因為日常照明光源會有長時間使用之情境，往往一開啟就連續用上數個小時、甚至數十小時，那長時間開啟的LED將會因為元件的高熱造成晶元的發光衰減、壽命降低現象，元件必須針對熱處理提出更好的方案，以便於減緩光衰問題過早發生，影響產品使用體驗。

LED光源導入日常應用的另一大問題是，如傳統使用的螢光燈具，使用超過數十小時均可維持相同的發光效率，但LED就不同了。因為LED發光晶元會因為元件高熱而導致其發光效率遞減，且此一問題不管在高功率或低功率LED皆然，只是低功率LED多僅用於指示性用途，對使用者來說影響相當小；但若LED作為光源使用，其光輸出遞減問題會在為提高亮度而加強單顆元件的驅動功率下越形加劇，一般會在使用過幾小時后出現亮度下滑，必須進行散熱設計改善才能達到光源應用需求。

LED封裝材料需因應高溫、短波長光線進行改善

在光源設計方案中，往往會利用增加驅動電流來換取LED晶元更高的光輸出量，但這會讓晶元表面在發光過程產生的熱度持續增高，而晶元的高溫考驗封裝材料的耐用度，連續運行高溫的狀態下會致使原具備高熱耐用度的封裝材料出現劣化，且材料劣化或質變也會進一步造成透光度下滑，因此在開發LED光源模組時，亦必須針對封裝材料考量改用高抗熱材質。

增加LED光源模組元件散熱方法相當多，可以從晶元、封裝材料、模組之導熱結構、PCB載板設計等進行重點改善。例如，晶元到封裝材料之間，若能強化散熱傳導速度，快速將核心熱源透過封裝材料表面逸散也是一種方法。或是由晶元與載板間的接觸，直接將晶元核心高熱透過材料的直接傳導熱源至載板逸散，進行LED晶元高熱的重點改善。此外，PCB採行金屬材料搭配與LED晶元緊貼組裝設計，也可因為減少熱傳導的熱阻，達到快速散逸發光元件核心高熱的設計目標。

另在封裝材料方面，以往LED元件多數采環氧樹脂進行封裝，其實環氧樹脂本身的耐熱性並不高，往往LED晶元還在使用壽命未結束前，環氧樹脂就已經因為長時間高熱運行而出現劣化、變質的變色現象，這種狀況在照明應用的LED模組設計中，會因為晶元高功率驅動而使封裝材料劣化的速度加快，甚至影響元件的安全性。

不只是高熱問題，環氧樹脂這類塑料材質，對於光的敏感度較高，尤其是短波長的光會讓環氧樹脂材料出現破壞現象，而高功率的LED光源模組，其短波長光線會更多，對材料惡化速度也會有加劇現象。

針對LED光源應用設計方案，多數業者大多傾向放棄環氧樹脂封裝材料，改用更耐高溫、抗短波長光線的封裝材料，例如矽樹脂即具備較環氧樹脂更高的抗熱性，且在材料特性方面，矽樹脂可達到處於150~180°C環境下仍不會變色的材料優勢。

此外，矽樹脂亦可分散藍色光與紫外線，矽樹脂可以抑制封裝材料因高熱或短波長光線的材料劣化問題，減緩封裝材料因為變質而導致透光率下滑問題。而就LED光源模組來說，矽樹脂也有延長LED元件使用壽命優點，因為矽樹脂本身抗高熱與抗短波長光線優點，在封裝材料可抵禦LED長時間使用產生的持續高熱與光線照射，材料的壽命相對長許多，也可讓LED元件有超過4萬小時的使用壽命。

LED自上世紀60年代誕生以來，以每10年亮度提高30倍，價格下降10倍的“海茲定律”般的速度發展。其理論光效達到260LM/W。據報道，白光LED光效的實驗室數據已超過100lm/W，而進入商業領域的大功率白光LED也達到40lm/W。隨著關鍵技術的突破，未來大功率LED的光效仍具有很大的上升空間，最高有可能達到150～200lm/W。

隨著大功率LED的面世和封裝、散熱等關鍵技術的突破，5WLED的商業化進程已初具規模，這使LED模塊的光通量得到很大提高。來自日亞公司最新的研究數據表明，功率分別為5.5W和11W，光通量分別為250lm和400lm的大功率LED集成模塊已經研製成功。這使LED用於普通照明的進程又向前邁進了一大步。

白光LED的色溫和顯色性與白光LED的製備方案密切相關。1996年日亞公司首先採用InGaN藍光晶元加YAG(釔鋁石榴石) 熒光粉的方法製成白光LED。此後，人們又採用R、G、B三色晶元混光和近紫外晶元激發R、G、B三色熒光粉混光製成了白光LED。

採用藍光LED加YAG熒光粉的方式因其工藝較為簡單，技術成本較低，是目前製備白光LED最常用的方式，但其顯色指數也相對較低。添加一定的紅光熒光粉和綠光熒光粉雖能提高顯色指數，但由於紅光熒光粉的相對轉化率較低，通常會引起總體光通量的衰減，即光效的下降。採用近紫外的LED加RGB三基色熒光粉理論上可以獲得任意色溫及較高顯色指數的白光LED，但用於紫外LED熒光粉的技術尚未成熟。單晶元塗熒光粉的方法根據熒光粉的塗敷技術的不同，通常具有80~800K的色溫差異。多晶元的LED理論上可以獲得任意色溫和高顯色性的白光LED，但由於多晶元LED的正向電壓和光輸出不同，另外它們的溫度特性和光維持特性也不相同，因而對電路設計的要求較高，技術還不成熟，模塊間色溫差異較大。