白光LED封裝色坐標分析

.z.白光LED封裝由于高輝度藍光LED的問世，因此利用熒光體與藍光LED的組合，就可輕易獲得白光LED。目前白光LED已成為可攜式信息產(chǎn)品的主要背光照明光源，未來甚至可成為一般家用照明光源。此外最近幾年出現(xiàn)高功率近紫外LED，同樣的可利用熒光體變成白光LED，LED的特點是小型、低耗電量、壽命長，若與具備色彩設(shè)計自由度、穩(wěn)定、容易處理等特點的熒光體組合時，就可成為全新的照明光源。通常LED與熒光體組合時，典型方法是將熒光體設(shè)于LED附近，主要原因是希望熒光體能高效率的將LED產(chǎn)生的光線作波長轉(zhuǎn)換，而將熒光體設(shè)于光線放射密度較高的區(qū)域，對波長轉(zhuǎn)換而言是最簡易的方法。此外熒光體封裝方法決定白光LED的發(fā)光效率與色調(diào)，因此接著將根據(jù)白光化的觀點，深入探討LED與熒光體的封裝技術(shù)。藍色LED+YAG熒光體的白光化封裝圖1是目前已商品化白光LED，具體而言它是將可產(chǎn)生黃光的YAG:Ce熒光體分散于透明的環(huán)氧樹脂內(nèi)，再用設(shè)于碗杯內(nèi)的藍色LED產(chǎn)生的光線激發(fā)轉(zhuǎn)換成白光，這種方式的白光發(fā)光機制是利用LED產(chǎn)生藍色光線，其中部份藍光會激發(fā)YAG熒光體變成黃色發(fā)光，剩余的藍光則直在外部進行藍光與黃光混色進而變成白光，這種方式的特點是結(jié)構(gòu)簡單，只需在LED的制作過成中追加熒光體涂布工程即可，因此可以大幅抑制制作成本，此外另一特點是色度調(diào)整非常單純。圖1藍光LED+YAG熒光體圖2是改變樹脂內(nèi)YAG熒光體濃度之后，LED色坐標plot的結(jié)果，由圖可知只要色坐標是在LED與YAG熒光體兩色坐標形成的直線*圍內(nèi)，就可任意調(diào)整色調(diào)，依此可知YAG熒光體濃度較低時，藍色穿透光的比率較多，整體就會呈藍色基調(diào)白光；相對的如果YAG熒光體濃度較高時，黃色轉(zhuǎn)換光的比率較多，整體呈黃色基調(diào)白光。如上所述將部份藍色LED當(dāng)作互補色的方式，不需要高密度(與樹脂的百分比)的熒光體涂布，因此可以有效降低熒光體的使用量。一般而言熒光體與樹脂的百分比，雖然會隨著YAG熒光體的轉(zhuǎn)換效率，與碗杯的形狀而改變，不過10～20wt%左右低配合比就能獲得白光。此外由于藍光LED放射的光強度，在中心軸與周圍的分布并不相同，即使LED芯片周圍的YAG熒光體的密度完全相同，仍然會造成軸上與周圍的光線不均等問題，這也是今后必需克服的課題之一。圖3是藍光LED+YAG熒光體白光LED制作流程；圖4典型的發(fā)光頻譜，由圖可知LeadFrameType與ChipType都是將藍光LED設(shè)于碗杯內(nèi)，再用混有定量YAG熒光體的樹脂涂布封裝。由于LED具備小型、省電、長壽等特征，因此已經(jīng)廣泛應(yīng)用于行動、PDA等可攜式信息產(chǎn)品的背光照明光源，以及步道引導(dǎo)燈等領(lǐng)域。圖2藍光LED+YAG熒光體的色度調(diào)整方法圖3熒光體的涂布工程圖4YAG熒光體+藍光LED的發(fā)光頻譜近紫外LED+RGB熒光體的白光化封裝有關(guān)LED芯片與熒光體組合構(gòu)成白光LED的方式，除了以上介紹的藍色LED+YAG熒光體以外，近紫外LED+RGB熒光體的組合方式，最近也越來越受到重視，這種方式的特征是將LED產(chǎn)生的近紫外光，分別轉(zhuǎn)換成R、G、B再合成變成白光，它所cover的白光領(lǐng)域比藍色LED+YAG熒光體方式更寬廣，此外紫外光轉(zhuǎn)換成R、G、B的動作原理與傳統(tǒng)熒光燈相同，因此沒有色彩不均的困擾而且演色性非常優(yōu)秀。利用R、G、B熒光體產(chǎn)生白光的場合，通常事先會根據(jù)一定的混合比率調(diào)整各熒光體，因此接著要介紹熒光體的調(diào)整方法。一般而言評鑒光源色彩時，若使用*YZ表色系(CIE1931)作說明會比較容易理解。基本上它是根在*YZ表色系再用下式求得光源色彩的三個刺激值:S(λ):光源放射量的相對分光分布。:*YZ表色系的等色關(guān)數(shù)。

k:比例系數(shù)。接著利用式(1)求得的三個刺激值*YZ，代入下式就可求得色度坐標*,y,z:此外*YZ表色系的等色關(guān)數(shù)，相當(dāng)于標準比視感度V(λ)，因此利用式(1)求得的Y刺激值成為表示亮度的尺寸。一般光源的色彩是用(Y，*，y)方式表示，因此又稱為CIE表色值。

RGB熒光體的場合，若欲利用各熒光體的CIE表色值作簡計算，必需先用熒光分光器量測相對分光分布，再代入式(1)與式(2)就可獲得各表色值，這種情況通常會希望激發(fā)各熒光體的波長，都能落在LED發(fā)光中心波長附近，如此一來就能以相同的測試條件，利用各熒光體的相對分光分布使表色值作相對性處理。此處假設(shè)RGB熒光體的表色(Y，*，y)分別如下:R熒光體:(YR，*R，yR)

G熒光體:(YG，*G，yG)

B熒光體:(YB，*B，yB)

有關(guān)白色目標色度坐標W(*W，yW)的各Y刺激值比率(YR，YG，YB)，根據(jù)加法混色法則下列關(guān)系就能成立:Y:YG:YB=

此處(*0，y0)表示直線R-G與直線R-W的交點坐標。圖5RGB熒光體的色度調(diào)整方法實際混合制程是將RGB熒光體的色度坐標代入式(3)，依此方式所求得的Y刺激值比率可用混合率加以調(diào)整。假設(shè)各熒光體的Y刺激值量測結(jié)果為YY，Yg，Yb，如此一來可變成白色目標色度坐標W的混合比率(R:G:B)就可用下式表示:

通常混合制程大多采用重量比方式，因此各熒光體之間的借貸密度差很大時就必需修正式(4)。假設(shè)RGB各熒光體之間的借貸密度分別是(DY，Dg，Db)，則混合比率(R:G:B)可用下式表示:

圖6是調(diào)整后的RGB混合熒光體混入適當(dāng)?shù)耐该髂z合劑(binder)，并涂布在透明基板上，制成試樣時的近紫外LED(發(fā)光峰值波長為384nm)發(fā)光特性。一般熒光體膜層的穿透輝度有所謂的峰值厚度，如果膜厚超過峰值厚度，穿透輝度會隨著厚度的增加逐漸降低。造成該現(xiàn)象主要原因是激發(fā)光照射方向與取光方向相同有關(guān)，尤其是激發(fā)照射面附近密度較高的光線，會隨著厚度的增加容易被遮蔽；相較之下反射輝度則是隨著膜層厚度而增加，如同穿透輝度一樣它不會因為膜層厚度增加而減少，該現(xiàn)象與上述的情況不同，主要原因是激發(fā)光照射方向與取光方向相反所造成，換句話說激發(fā)密度較高的照射面附近的光線取出與膜層厚度無關(guān)，由來可獲得一項結(jié)論，就是利用上述方式使藍光LED轉(zhuǎn)換成白光時，為得到較高的光線轉(zhuǎn)換效率，因此希望LED產(chǎn)生的紫外光，都能被RGB熒光體轉(zhuǎn)換成可視光，尤其是該需求與上述的藍光LED+YAG熒光體方式比較時，更突顯提高熒光體膜層的熒光體充填密度重要性。圖7是利用SE取得的不同熒光體充填密度的膜層斷面照片。圖6RGB熒光體的發(fā)光特性圖7RGB熒光體膜層的斷面由圖7(a)可知binder與熒光體的混合較高時，熒光體充填密度也隨著增高，根據(jù)圖6的方法利用近紫外LED激發(fā)試料時，穿透輝度峰值的膜厚等同于實用膜厚(50～100μm)，因此紫外線穿透比較少；相對的圖7(b)的binder與熒光體混合較低時，熒光體充填密度隨著減少，熒光體膜層內(nèi)的binder體積率變大，因此利用近紫外LED激發(fā)試料時，部份激發(fā)紫外光不但無法被熒光體吸收，反而會穿過binder放射至外部，使得紫外光穿透量變多，而轉(zhuǎn)換成可視光的換換效率亦隨著降低，除此之外穿透輝度達到峰值時的膜厚，則會朝更厚方向移動而該膜厚比實用膜厚更厚，因此一般與紫外LED組合的熒光體膜層，大多會采用較高的充填密度。圖6是典型的近紫外LED＋RGB熒光體的封裝方法，實際上這種封裝方法可分為穿透式與反射式兩種。圖8是穿透式的封裝方式，基本上它是用GaN系近紫外LED以FlipChip方式封裝于藍寶石基板，再用高反射率金屬當(dāng)電極，因此它的光輸出是傳統(tǒng)透明電極faceup結(jié)構(gòu)的二倍左右。由于電極導(dǎo)線直接從LEDchip取至外部，因此可將熒光體層設(shè)于LEDchip表面。有關(guān)熒光體的封裝，基本上它是在玻璃基板上，制作紫外線反射膜與RGB熒光體層，接著再加工成與LEDchipsize大小相同的外形，設(shè)于熒光體下方并與LEDchip接合，為了使LEDchip端面射出的紫外線也能轉(zhuǎn)換成可視光，因此LEDchip周圍涂有熒光體，最后再用樹脂封裝變成穿透型白光LED。圖9是典型的反射式白光LED，由圖可知它是由一對電極與涂有熒光體的凹形碗杯所構(gòu)成，F(xiàn)lipChip紫外LED被bonding后，與設(shè)有紫外線反射膜層與外部電極的玻璃基板貼合，內(nèi)部再用樹脂或是惰性氣體密封，形成反射式白光LED。根據(jù)以上的說明可知不論何種方式，利用熒光體轉(zhuǎn)高效率換成可視光時紫外光的泄漏量并非零，因為其中部份紫外光會放射至外部，所以必需設(shè)置紫外光反射膜，也就是說如何亦提高熒光體的轉(zhuǎn)換效率成為今后主要課題之一。圖10是發(fā)光頻譜的實例。圖9反射式白光LED的結(jié)構(gòu)圖10白光LED(近紫外LED+RGB熒光體)高功率白光LED的封裝以上介紹的白光LED芯片，大小大約是0.3mm正方，每個LED的光束大約是1～2流明左右，如果以白光LED當(dāng)作一般照明光源，甚至要取代全光束為800流明的60瓦燈泡，至少必需使用500個的白光LED，如此一來對白光LED而言，勢必喪失原有的優(yōu)勢，因此相關(guān)業(yè)界相繼提案希望加大LED芯片尺寸，藉此提高每個LED的光束，例如LED芯片的大小若是1mm正方時，驅(qū)動電流會從目前的20mA提高10倍變成200mA，如此便可大幅提高光輸出，不過提高輸出會面臨如何有效排放LED芯片產(chǎn)生的熱能等問題。一般利用近紫外激發(fā)熒光體產(chǎn)生白光的藍光LED，外部量子效率(注入芯片的電子數(shù)與取至外部光子數(shù)的百分比)大約是10～20%，最近發(fā)表的近紫外LED外部量子效率則為30%，換句話說其它電氣能量大部份都在LED芯片內(nèi)轉(zhuǎn)成熱能，而且LED芯片產(chǎn)生的熱能是與驅(qū)動電流成比例增加，加上芯片周圍的溫度上升會造成LED的發(fā)光峰值波長移動、熒光體的發(fā)光效率降低、周圍材料劣化等問題，因此封裝整體的散熱設(shè)計成為高功率LED不可或缺的一環(huán)。圖11是HeatSinkTypeStem上方mount1mm正方的近紫外LED的外觀圖，該LED的順向電流500mA時的光輸出為190mW，發(fā)光峰值波長為384mm,50～500mA時的發(fā)光峰值波長移動低于0.5nm，圖12是封裝熒光體時的點燈外觀。樹脂Mould?LED密封樹脂的現(xiàn)況

LED依照封裝外形可分為表面封裝型與炮彈型兩種，以往是以炮彈型為主流，之后由于小型化的需求，造成表面封裝型的需求逐漸增加，不過最近基于大電流與散熱結(jié)構(gòu)等考量，因此出現(xiàn)所謂的大型封裝技術(shù)。表面封裝型又可分為利用transfermould，將設(shè)于印刷基板上的組件與金線密封(照片1-①)方式，與利用reflector形成leadframe方式(照片1-②、1-③)兩大類。照片1商品化的LED種類與結(jié)構(gòu)?透明液狀環(huán)氧樹脂

LED常用的透明環(huán)氧樹脂主要是利用酸無水物硬化效應(yīng)，主劑與硬化劑兩液使用前必需均勻混合才能使用，主劑成份是Epo*yOligomer、粘度調(diào)整劑、著色劑等等；硬化劑成份是酸無水物與觸媒量硬化促進劑，雖然硬化物性會隨著主劑與硬化劑的配合比改變，不過一般是設(shè)計成當(dāng)量比為1:1，就可獲得最適宜的物性。圖13是LED用透明環(huán)氧樹脂主成份的構(gòu)造式。一般而言所謂的Epo*yOligomer是以Bis-PhenolAGlycigeruAther與Bis-PhenolFType為主，此外為防止玻璃轉(zhuǎn)移點變高、樹脂變色，所以添加脂環(huán)式Epo*y。圖13LED封裝用環(huán)氧樹脂的成份結(jié)構(gòu)式雖然有許多硬化劑與硬化促進劑可供環(huán)氧樹脂選擇，不過應(yīng)用在LED的密封必需是透明狀硬化物，因此硬化劑的使用受到相當(dāng)程度的限制，例如酸無水物通常會選用MeHHPA或是HHPA；硬化促進劑則以Amine系、Imidazol、Lin系為主，不過實際成份則是各廠商的knowhow。如上所述環(huán)氧樹脂含有許多成份，所以它的反應(yīng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。圖14是使用Amine系硬化劑的酸無水物硬化反應(yīng)結(jié)構(gòu)。圖14酸無水物硬化環(huán)氧樹脂的反應(yīng)結(jié)構(gòu)?TransferMould樹脂所謂的TransferMould如照片1-①所示，它是在印刷基板上以環(huán)氧樹脂密封LED的方法，具體而言它是由Bstage的Epo*y樹脂固態(tài)Tablet，與低壓Transfer所構(gòu)成，由于模具精度極高加上硬化時間很短，因此TransferMould方式適合短時間大量生產(chǎn)，不過初期必需投資大型Transfer與模具。?Silicon樹脂利用Silicon樹脂密封LED的情況非常少，因此Silicon樹脂的使用量也非常低。目前市面上部份1mm正方大型芯片的白光LED，以及基于樹脂應(yīng)力會降低半導(dǎo)體性能等考量，才會使用Silicon樹脂當(dāng)作封裝材料。事實上LED封裝用Silicon樹脂，屬于siliconresin化silicongel，它的化學(xué)結(jié)構(gòu)為DimethylSilo*ane的重合體，1.4的折射率遠比折射率為1.5的環(huán)氧樹脂低，而且Silicon樹脂與組件、LeadFame的附著性也不如環(huán)氧樹脂，造成取光效率偏低成為是Silicon樹脂最大的缺點。有關(guān)折射率的改善一般是在Silo*ane格子內(nèi)添加Phenyl基，如此便可將折射率提高至1.5左右。白光LED用Mould材料?環(huán)氧樹脂的紫外線劣化如上所述LED封裝用環(huán)氧樹脂主要成份是Bis-PhenolAGlycigeruAther，雖然環(huán)氧樹脂含有可吸收紫外線的芳香族，不過Bis-PhenolAGlycigeruAther吸收紫外線之后，會氧化產(chǎn)生Carbonyl基并形成發(fā)色團造成樹脂變色(圖15)，此外環(huán)氧樹脂遇熱后也會變色，進而造成端波長領(lǐng)域的穿透率下跌，該現(xiàn)象對藍光與白光LED發(fā)光光度影響極大，不過對紅光LED尚未構(gòu)成問題。筆者以Bis-PhenolAGlycigeruAther為主要成份，制作LED封裝用環(huán)氧樹脂平板(厚5mm)，并經(jīng)過72小時熱處理，接著再用波長為340nm熒光燈Q-UVTester，進行紫外線照射實驗，其結(jié)果如圖4所示。雖然環(huán)氧樹脂的光線穿透率，會隨著熱處理與紫外線照射降低，尤其在短波長領(lǐng)域穿透率下跌最明顯，不過一旦超過600nm*圍，穿透率的跌幅就比較少(圖16)，換句話說為防止紫外線劣化，未來必需開發(fā)不需使用Bis-PhenolAGlycigeruAther的方法。圖15LED封裝用環(huán)氧樹脂的成份結(jié)構(gòu)式圖16以Bis-PhenolAGlycigeruAther為主要成份的環(huán)氧樹脂初期、高溫放置、紫外線照射后的光線穿透率。高溫放置:1500C72小時紫外線照射:Q-UVTester，340nm，550C300小時樹脂平板厚度:5mm一般防止紫外線劣化的方法可分為讓紫外線完全穿透，與利用紫外線吸收劑將紫外線轉(zhuǎn)換成熱能排出兩種方式，前者單純利用不會吸收紫外線的材料建構(gòu)環(huán)氧樹脂，雖然該方式理論上幾乎無法實現(xiàn)，不過若以脂環(huán)式環(huán)氧樹脂與添加氫的Bis-PhenolAGlycigeruAther等紫外線吸收量較低的材料作為主成份，再與紫外線吸收量較低的硬化促進劑組合，就可以大幅降低樹脂本身的紫外線吸收量；后者方式除了如何維持紫外線吸收劑的性能之外，bleedout的蒸散問題也令人擔(dān)憂。此外為有效將熱能排出，因此必需充分確保LED的散熱結(jié)構(gòu)，其結(jié)果反而造成LED的結(jié)構(gòu)設(shè)計受到很大的限制。?添水Bis-PhenolAGlycigeruAther的酸無水硬化物筆者為刻意降低環(huán)氧樹脂的紫外線吸收，同時基于開發(fā)新型樹脂等目的，以添水Bis-PhenolAGlycigeruAther為中心，進行樹脂成份調(diào)配檢討。首先進行酸無水物硬化系的硬化劑選定作業(yè)，雖然硬化促進劑決定樹脂的硬化速度，不過大部份的硬化促進劑都具備強大的紫外線吸收能力，因此最后決定選用Mehylhe*ahydro無水Phtharu酸，藉此探討硬化促進劑結(jié)構(gòu)，以及硬化劑的紫外線劣化影響。此處使用的硬化促進劑是與Bis-PhenolAGlycigeruAther，可組合變成透明狀硬化物。如表1所示若使用BenzylDimethylAmine時，硬化化不久就會著色，成為唯一的缺失之外，硬化物幾乎是完全透明。表1硬化劑促進劑對初期與紫外線照射后的穿透率影響紫外線照射后依舊能維持高穿透率，而且紫外線劣化最少的是磷系促進劑(9)，使用TetraPhenylPhospheneBromide(7)的case，紫外線劣化非常明顯，主要原因是(7)擁擠的四個芳香族環(huán)所造成。接著檢討耐熱性，Bis-PhenolAGlycigeruAther(1)廣被使用的理由首推芳香族環(huán)造成的高熱穩(wěn)定性。為確**封半導(dǎo)體的樹脂能具備焊接與動作時的穩(wěn)定性，密封樹脂具備*種程度的耐熱性，已經(jīng)成為不可或缺性能指針之一。雖然一般的酸無水物硬化的玻璃轉(zhuǎn)移點為1300C，不過添水BisA的Cyclohe*an環(huán)的穩(wěn)定性比芳香族環(huán)低，如果單獨進行酸無水物硬化時，它的玻璃轉(zhuǎn)移點大約是1000C左右，此時不但會有可靠性的問題，甚至還有發(fā)生熱變色之虞。此處基于高耐熱性等考量，因此將玻璃轉(zhuǎn)移點較大的脂環(huán)式環(huán)氧樹脂(DICELL化學(xué)工業(yè))添加于Y*8000，并利進行硬化物高溫放置試驗，根據(jù)實驗結(jié)果證實環(huán)氧樹脂有變色之虞；此外若添加10wt%CEL2021P，硬化的玻璃轉(zhuǎn)移點可提高至1300C。如圖17所示隨著圖17相較于Y*8000，脂環(huán)式環(huán)氧樹脂(CEL2021)的濃度與熱色變的關(guān)系)圖18圖6添水BisA酸無水硬化環(huán)氧樹脂的初期、高溫放置后、紫外線照射后的穿透率高溫放置1500C，72Hr，樹脂板厚5mm紫外線照射:Q-UVTester，340nm紫外型白光LED用封裝樹脂?環(huán)氧樹脂接著要素檢討有關(guān)氧化防止劑與紫外線吸收劑。雖然利用氧化防止劑可以抑制熱變色，不過紫外線劣化會增高，添加紫外線吸收劑則會促進熱變色，如果添加*種氧化防止劑卻可以減少熱變色，同時又不會產(chǎn)生紫外線劣化現(xiàn)象。由圖18的穿透頻譜可知，因熱與紫外線所造成的變色可大幅降低。最近幾年表面封裝型LED的需求不斷增加，不過使用酸無水物硬化環(huán)氧樹脂時，卻面臨由于酸水物蒸發(fā)有發(fā)體積收縮之虞。理論上酸無水物硬化比較適合厚度較厚的炮彈型LED，并不適用于涂