高亮度LED的封装光通原理（上）

July 25, 2019

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1030lm/W内的层次，然而在白光LED突破60lm/W甚至达100lm/W后，就连萤光灯、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，但除了最核心的萤光质、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）几乎意味著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１：一般而言，HB LED多指8lm/W（每瓦8流明）以上的发光效率。

 

附注２：一般而言，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。

 

前言：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1030lm/W内的层次，然而在白光LED突破60lm/W甚至达100lm/W后，就连萤光灯、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，但除了最核心的萤光质、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）几乎意味著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１：一般而言，HB LED多指8lm/W（每瓦8流明）以上的发光效率。

 

附注２：一般而言，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。

 

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」

 

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。

 

附注３：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４：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５：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，接著开始加入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。
 

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