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白光LED封装
白光LED封装
由于高辉度蓝光LED的问世,因此利用荧光体与蓝光LED的组合,就可轻易获得白光LED。
目前白光LED已成为可携式信息产品的主要背光照明光源,未来甚至可成为一般家用照明光源。
此外最近几年出现高功率近紫外LED,同样的可利用荧光体变成白光LED,LED的特点是小型、低耗电量、寿命长,若与具备色彩设计自由度、稳定、容易处理等特点的荧光体组合时,就可成为全新的照明光源。
通常LED与荧光体组合时,典型方法是将荧光体设于LED附近,主要原因是希望荧光体能高效率的将LED产生的光线作波长转换,而将荧光体设于光线放射密度较高的区域,对波长转换而言是最简易的方法。
此外荧光体封装方法决定白光LED的发光效率与色调,因此接着将根据白光化的观点,深入探讨LED与荧光体的封装技术。
蓝色LED+YAG荧光体的白光化封装
图1是目前已商品化白光LED,具体而言它是将可产生黄光的YAG:
Ce荧光体分散于透明的环氧树脂内,再用设于碗杯内的蓝色LED产生的光线激发转换成白光,这种方式的白光发光机制是利用LED产生蓝色光线,其中部份蓝光会激发YAG荧光体变成黄色发光,剩余的蓝光则直在外部进行蓝光与黄光混色进而变成白光,这种方式的特点是结构简单,只需在LED的制作过成中追加荧光体涂布工程即可,因此可以大幅抑制制作成本,此外另一特点是色度调整非常单纯。
图1蓝光LED+YAG荧光体
图2是改变树脂内YAG荧光体浓度之后,LED色坐标plot的结果,由图可知只要色坐标是在LED与YAG荧光体两色坐标形成的直线范围内,就可任意调整色调,依此可知YAG荧光体浓度较低时,蓝色穿透光的比率较多,整体就会呈蓝色基调白光;相对的如果YAG荧光体浓度较高时,黄色转换光的比率较多,整体呈黄色基调白光。
如上所述将部份蓝色LED当作互补色的方式,不需要高密度(与树脂的百分比)的荧光体涂布,因此可以有效降低荧光体的使用量。
一般而言荧光体与树脂的百分比,虽然会随着YAG荧光体的转换效率,与碗杯的形状而改变,不过10~20wt%左右低配合比就能获得白光。
此外由于蓝光LED放射的光强度,在中心轴与周围的分布并不相同,即使LED芯片周围的YAG荧光体的密度完全相同,仍然会造成轴上与周围的光线不均等问题,这也是今后必需克服的课题之一。
图3是蓝光LED+YAG荧光体白光LED制作流程;图4典型的发光频谱,由图可知LeadFrameType与ChipType都是将蓝光LED设于碗杯内,再用混有定量YAG荧光体的树脂涂布封装。
由于LED具备小型、省电、长寿等特征,因此已经广泛应用于行动电话、PDA等可携式信息产品的背光照明光源,以及步道引导灯等领域。
图2蓝光LED+YAG荧光体的色度调整方法
图3荧光体的涂布工程
图4YAG荧光体+蓝光LED的发光频谱
近紫外LED+RGB荧光体的白光化封装
有关LED芯片与荧光体组合构成白光LED的方式,除了以上介绍的蓝色LED+YAG荧光体以外,近紫外LED+RGB荧光体的组合方式,最近也越来越受到重视,这种方式的特征是将LED产生的近紫外光,分别转换成R、G、B再合成变成白光,它所cover的白光领域比蓝色LED+YAG荧光体方式更宽广,此外紫外光转换成R、G、B的动作原理与传统荧光灯相同,因此没有色彩不均的困扰而且演色性非常优秀。
利用R、G、B荧光体产生白光的场合,通常事先会根据一定的混合比率调整各荧光体,因此接着要介绍荧光体的调整方法。
一般而言评鉴光源色彩时,若使用XYZ表色系(CIE1931)作说明会比较容易理解。
基本上它是根在XYZ表色系再用下式求得光源色彩的三个刺激值:
S(λ):
光源放射量的相对分光分布。
:
XYZ表色系的等色关数。
k:
比例系数。
接着利用式
(1)求得的三个刺激值XYZ,代入下式就可求得色度坐标x,y,z:
此外XYZ表色系的等色关数
,相当于标准比视感度V(λ),因此利用式
(1)求得的Y刺激值成为表示亮度的尺寸。
一般光源的色彩是用(Y,x,y)方式表示,因此又称为CIE表色值。
RGB荧光体的场合,若欲利用各荧光体的CIE表色值作简计算,必需先用荧光分光器量测相对分光分布,再代入式
(1)与式
(2)就可获得各表色值,这种情况通常会希望激发各荧光体的波长,都能落在LED发光中心波长附近,如此一来就能以相同的测试条件,利用各荧光体的相对分光分布使表色值作相对性处理。
此处假设RGB荧光体的表色(Y,x,y)分别如下:
R荧光体:
(YR,xR,yR)
G荧光体:
(YG,xG,yG)
B荧光体:
(YB,xB,yB)
有关白色目标色度坐标W(xW,yW)的各Y刺激值比率(YR,YG,YB),根据加法混色法则下列关系就能成立:
Y:
YG:
YB=
此处(x0,y0)表示直线R-G与直线R-W的交点坐标。
图5RGB荧光体的色度调整方法
实际混合制程是将RGB荧光体的色度坐标代入式(3),依此方式所求得的Y刺激值比率可用混合率加以调整。
假设各荧光体的Y刺激值量测结果为YY,Yg,Yb,如此一来可变成白色目标色度坐标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,因此各荧光体之间的借贷密度差很大时就必需修正式(4)。
假设RGB各荧光体之间的借贷密度分别是(DY,Dg,Db),则混合比率(R:
G:
B)可用下式表示:
图6是调整后的RGB混合荧光体混入适当的透明胶合剂(binder),并涂布在透明基板上,制成试样时的近紫外LED(发光峰值波长为384nm)发光特性。
一般荧光体膜层的穿透辉度有所谓的峰值厚度,如果膜厚超过峰值厚度,穿透辉度会随着厚度的增加逐渐降低。
造成该现象主要原因是激发光照射方向与取光方向相同有关,尤其是激发照射面附近密度较高的光线,会随着厚度的增加容易被遮蔽;相较之下反射辉度则是随着膜层厚度而增加,如同穿透辉度一样它不会因为膜层厚度增加而减少,该现象与上述的情况不同,主要原因是激发光照射方向与取光方向相反所造成,换句话说激发密度较高的照射面附近的光线取出与膜层厚度无关,由来可获得一项结论,就是利用上述方式使蓝光LED转换成白光时,为得到较高的光线转换效率,因此希望LED产生的紫外光,都能被RGB荧光体转换成可视光,尤其是该需求与上述的蓝光LED+YAG荧光体方式比较时,更突显提高荧光体膜层的荧光体充填密度重要性。
图7是利用SE取得的不同荧光体充填密度的膜层断面照片。
图6RGB荧光体的发光特性
图7RGB荧光体膜层的断面
由图7(a)可知binder与荧光体的混合较高时,荧光体充填密度也随着增高,根据图6的方法利用近紫外LED激发试料时,穿透辉度峰值的膜厚等同于实用膜厚(50~100μm),因此紫外线穿透比较少;相对的图7(b)的binder与荧光体混合较低时,荧光体充填密度随着减少,荧光体膜层内的binder体积率变大,因此利用近紫外LED激发试料时,部份激发紫外光不但无法被荧光体吸收,反而会穿过binder放射至外部,使得紫外光穿透量变多,而转换成可视光的换换效率亦随着降低,除此之外穿透辉度达到峰值时的膜厚,则会朝更厚方向移动而该膜厚比实用膜厚更厚,因此一般与紫外LED组合的荧光体膜层,大多会采用较高的充填密度。
图6是典型的近紫外LED+RGB荧光体的封装方法,实际上这种封装方法可分为穿透式与反射式两种。
图8是穿透式的封装方式,基本上它是用GaN系近紫外LED以FlipChip方式封装于蓝宝石基板,再用高反射率金属当电极,因此它的光输出是传统透明电极faceup结构的二倍左右。
由于电极导线直接从LEDchip取至外部,因此可将荧光体层设于LEDchip表面。
有关荧光体的封装,基本上它是在玻璃基板上,制作紫外线反射膜与RGB荧光体层,接着再加工成与LEDchipsize大小相同的外形,设于荧光体下方并与LEDchip接合,为了使LEDchip端面射出的紫外线也能转换成可视光,因此LEDchip周围涂有荧光体,最后再用树脂封装变成穿透型白光LED。
图9是典型的反射式白光LED,由图可知它是由一对电极与涂有荧光体的凹形碗杯所构成,FlipChip紫外LED被bonding后,与设有紫外线反射膜层与外部电极的玻璃基板贴合,内部再用树脂或是惰性气体密封,形成反射式白光LED。
根据以上的说明可知不论何种方式,利用荧光体转高效率换成可视光时紫外光的泄漏量并非零,因为其中部份紫外光会放射至外部,所以必需设置紫外光反射膜,也就是说如何亦提高荧光体的转换效率成为今后主要课题之一。
图10是发光频谱的实例。
图9反射式白光LED的结构
图10白光LED(近紫外LED+RGB荧光体)
高功率白光LED的封装
以上介绍的白光LED芯片,大小大约是0.3mm正方,每个LED的光束大约是1~2流明左右,如果以白光LED当作一般照明光源,甚至要取代全光束为800流明的60瓦灯泡,至少必需使用500个的白光LED,如此一来对白光LED而言,势必丧失原有的优势,因此相关业界相继提案希望加大LED芯片尺寸,藉此提高每个LED的光束,例如LED芯片的大小若是1mm正方时,驱动电流会从目前的20mA提高10倍变成200mA,如此便可大幅提高光输出,不过提高输出会面临如何有效排放LED芯片产生的热能等问题。
一般利用近紫外激发荧光体产生白光的蓝光LED,外部量子效率(注入芯片的电子数与取至外部光子数的百分比)大约是10~20%,最近发表的近紫外LED外部量子效率则为30%,换句话说其它电气能量大部份都在LED芯片内转成热能,而且LED芯片产生的热能是与驱动电流成比例增加,加上芯片周围的温度上升会造成LED的发光峰值波长移动、荧光体的发光效率降低、周围材料劣化等问题,因此封装整体的散热设计成为高功率LED不可或缺的一环。
图11是HeatSinkTypeStem上方mount1mm正方的近紫外LED的外观图,该LED的顺向电流500mA时的光输出为190mW,发光峰值波长为384mm,50~500mA时的发光峰值波长移动低于0.5nm,图12是封装荧光体时的点灯外观。
树脂Mould
‧LED密封树脂的现况
LED依照封装外形可分为表面封装型与炮弹型两种,以往是以炮弹型为主流,之后由于小型化的需求,造成表面封装型的需求逐渐增加,不过最近基于大电流与散热结构等考量,因此出现所谓的大型封装技术。
表面封装型又可分为利用transfermould,将设于印刷基板上的组件与金线密封(照片1-①)方式,与利用reflector形成leadframe方式(照片1-②、1-③)两大类。
照片1商品化的LED种类与结构
‧透明液状环氧树脂
LED常用的透明环氧树脂主要是利用酸无水物硬化效应,主剂与硬化剂两液使用前必需均匀混合才能使用,主剂成份是EpoxyOligomer、粘度调整剂、着色剂等等;硬化剂成份是酸无水物与触媒量硬化促进剂,虽然硬化物性会随着主剂与硬化剂的配合比改变,不过一般是设计成当量比为1:
1,就可获得最适宜的物性。
图13是LED用透明环氧树脂主成份的构造式。
一般而言所谓的EpoxyOligomer是以Bis-PhenolAGlycigeruAther与Bis-PhenolFType为主,此外为防止玻璃转移点变高、树脂变色,所以添加脂环式Epoxy。
图13LED封装用环氧树脂的成份结构式
虽然有许多硬化剂与硬化促进剂可供环氧树脂选择,不过应用在LED的密封必需是透明状硬化物,因此硬化剂的使用受到相当程度的限制,例如酸无水物通常会选用MeHHPA或是HHPA;硬化促进剂则以Amine系、Imidazol、Lin系为主,不过实际成份则是各厂商的knowhow。
如上所述环氧树脂含有许多成份,所以它的反应结构非常复杂。
图14是使用Amine系硬化剂的酸无水物硬化反应结构。
图14酸无水物硬化环氧树脂的反应结构
‧TransferMould树脂
所谓的TransferMould如照片1-①所示,它是在印刷基板上以环氧树脂密封LED的方法,具体而言它是由Bstage的Epoxy树脂固态Tablet,与低压Transfer所构成,由于模具精度极高加上硬化时间很短,因此TransferMould方式适合短时间大量生产,不过初期必需投资大型Transfer与模具。
‧Silicon树脂
利用Silicon树脂密封LED的情况非常少,因此Silicon树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,以及基于树脂应力会降低半导体性能等考量,才会使用Silicon树脂当作封装材料。
事实上LED封装用Silicon树脂,属于siliconresin化silicongel,它的化学结构为DimethylSiloxane的重合体,1.4的折射率远比折射率为1.5的环氧树脂低,而且Silicon树脂与组件、LeadFame的附着性也不如环氧树脂,造成取光效率偏低成为是Silicon树脂最大的缺点。
有关折射率的改善一般是在Siloxane格子内添加Phenyl基,如此便可将折射率提高至1.5左右。
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白光LED用Mould材料
‧环氧树脂的紫外线劣化
如上所述LED封装用环氧树脂主要成份是Bis-PhenolAGlycigeruAther,虽然环氧树脂含有可吸收紫外线的芳香族,不过Bis-PhenolAGlycigeruAther吸收紫外线之后,会氧化产生Carbonyl基并形成发色团造成树脂变色(图15),此外环氧树脂遇热后也会变色,进而造成端波长领域的穿透率下跌,该现象对蓝光与白光LED发光光度影响极大,不过对红光LED尚未构成问题。
笔者以Bis-PhenolAGlycigeruAther为主要成份,制作LED封装用环氧树脂平板(厚5mm),并经过72小时热处理,接着再用波长为340nm荧光灯Q-UVTester,进行紫外线照射实验,其结果如图4所示。
虽然环氧树脂的光线穿透率,会随着热处理与紫外线照射降低,尤其在短波长领域穿透率下跌最明显,不过一旦超过600nm范围,穿透率的跌幅就比较少(图16),换句话说为防止紫外线劣化,未来必需开发不需使用Bis-PhenolAGlycigeruAther的方法。
图15LED封装用环氧树脂的成份结构式
图16以Bis-PhenolAGlycigeruAther为主要成份的环氧树脂初期、高温放置、紫外线照射后的光线穿透率。
高温放置:
1500C72小时紫外线照射:
Q-UVTester,340nm,550C300小时树脂平板厚度:
5mm
一般防止紫外线劣化的方法可分为让紫外线完全穿透,与利用紫外线吸收剂将紫外线转换成热能排出两种方式,前者单纯利用不会吸收紫外线的材料建构环氧树脂,虽然该方式理论上几乎无法实现,不过若以脂环式环氧树脂与添加氢的Bis-PhenolAGlycigeruAther等紫外线吸收量较低的材料作为主成份,再与紫外线吸收量较低的硬化促进剂组合,就可以大幅降低树脂本身的紫外线吸收量;后者方式除了如何维持紫外线吸收剂的性能之外,bleedout的蒸散问题也令人担忧。
此外为有效将热能排出,因此必需充分确保LED的散热结构,其结果反而造成LED的结构设计受到很大的限制。
‧添水Bis-PhenolAGlycigeruAther的酸无水硬化物
笔者为刻意降低环氧树脂的紫外线吸收,同时基于开发新型树脂等目的,以添水Bis-PhenolAGlycigeruAther为中心,进行树脂成份调配检讨。
首先进行酸无水物硬化系的硬化剂选定作业,虽然硬化促进剂决定树脂的硬化速度,不过大部份的
硬化促进剂都具备强大的紫外线吸收能力,因此最后决定选用Mehylhexahydro无水Phtharu酸,藉此探讨硬化促进剂结构,以及硬化剂的紫外线劣化影响。
此处使用的硬化促进剂是与Bis-PhenolAGlycigeruAther,可组合变成透明状硬化物。
如表1所示若使用BenzylDimethylAmine时,硬化化不久就会着色,成为唯一的缺失之外,硬化物几乎是完全透明。
表1硬化剂促进剂对初期与紫外线照射后的穿透率影响
紫外线照射后依旧能维持高穿透率,而且紫外线劣化最少的是磷系促进剂(9),使用TetraPhenylPhospheneBromide(7)的case,紫外线劣化非常明显,主要原因是(7)拥挤的四个芳香族环所造成。
接着检讨耐热性,Bis-PhenolAGlycigeruAther
(1)广被使用的理由首推芳香族环造成的高热稳定性。
为确保密封半导体的树脂能具备焊接与动作时的稳定性,密封树脂具备某种程度的耐热性,已经成为不可或缺性能指针之一。
虽然一般的酸无水物硬化的玻璃转移点为1300C,不过添水BisA的Cyclohexan环的稳定性比芳香族环低,如果单独进行酸无水物硬化时,它的玻璃转移点大约是1000C左右,此时不但会有可靠性的问题,甚至还有发生热变色之虞。
此处基于高耐热性等考量,因此将玻璃转移点较大的脂环式环氧树脂(DICELL化学工业)添加于YX8000,并利进行硬化物高温放置试验,根据实验结果证实环氧树脂有变色之虞;此外若添加10wt%CEL2021P,硬化的玻璃转移点可提高至1300C。
如图17所示随着CEL2021浓度的增加,初期着色也会随着提高穿透率则稍微降低,不过高温放置后CEL2021的浓度若超过10wt%,穿透率会明显降低黄色度则大幅增加。
图17相较于YX8000,脂环式环氧树脂(CEL2021)的浓度与热色变的关系)
图18图6添水BisA酸无水硬化环氧树脂的初期、高温放置后、紫外线照射后的穿透率高温放置1500C,72Hr,树脂板厚5mm紫外线照射:
Q-UVTester,340nm
紫外型白光LED用封装树脂
‧环氧树脂
接着要素检讨有关氧化防止剂与紫外线吸收剂。
虽然利用氧化防止剂可以抑制热变色,不过紫外线劣化会增高,添加紫外线吸收剂则会促进热变色,如果添加某种氧化防止剂却可以减少热变色,同时又不会产生紫外线劣化现象。
由图18的穿透频谱可知,因热与紫外线所造成的变色可大幅降低。
最近几年表面封装型LED的需求不断增加,不过使用酸无水物硬化环氧树脂时,却面临由于酸水物蒸发有发体积收缩之虞。
理论上酸无水物硬化比较适合厚度较厚的炮弹型LED,并不适用于涂装较薄的LED。
虽然环氧树脂的紫外线cation硬化已经成为目前涂装的主流,然而类似LED具有相当厚度的硬化物,紫外线却无法均匀扩散至所有角落因此未被采用。
90年代出现利用热进行活性化的Cation重合触媒,之后经过改良才变成透明硬化物。
由于热Cation硬化是在一定温度的前提下进行选择性树脂硬化,因此又称为潜在性触媒,该树脂最大特征是可作单液储存。
最近表面封装方式有增加的趋势,因此树脂厂商基于高附加价值等考量,已将上述树脂商品化,同时还获得部份LED封装厂商的采用。
由于Cation应用EpoxyOligomer时的百分比超过95%,所以使用时只需添加数%的触媒即可,换句话说该树具酸无水物硬化不易降低的树脂内二重结合的特性,一般认为未来还可利用分子设计开发高性能的材料,此外各树脂厂商也正式着手开发紫外LED专用的树脂。
‧Silicon系树脂
由于环氧树脂无法完全去除紫外线的吸收,因此Silicon系树脂被认为是封装紫外LED最佳材料,不过Silicon系树脂的接着性、强度与折射率等问题仍有待解决,例如添加Phenyl基虽然可以获得折射率的Silicon,不过Phenyl基的紫外线劣化问题却受到很大的质疑。
此外基于希望同时能获得Silicon系树脂的耐紫外线性能与环氧树脂的接着性等考量,因此图7具备Epoxy基Siloxane诱导体再度受到嘱目,为了提高Silicon树脂的接着性,因此市面上陆续出现类似SilaneCoupling剂与离型纸专用Silicon树脂。
此外Crivello则使用与环氧树脂的光学Cation硬化剂相同的Onium塩,当作紫外线硬化型Silicon树脂,进而获得具备Epoxy基的Silicon树脂。
图19具备Epoxy基的Siloxane诱导体的构造式
结语
以上介绍白光LED封装技术与封装材料的最新发展动向,随着高功率UVLED的实用化,可预期不久的未来,相关业者势必开发耐UV、耐高温、高穿透率新世代白光LED封装材料
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