《電子技術應用》
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高功率LED封裝比較:K1導線架與陶瓷封裝
摘要: 隨著單位亮度不斷增加,LED在照明領域的應用愈來愈廣。為了持續增加LED的亮度,提高單顆磊芯片的面積以及使用功率勢不可免,但如此一來亦拌隨著高熱量的產生。
Abstract:
Key words :

  隨著單位亮度不斷增加,LED在照明領域的應用愈來愈廣。為了持續增加LED的亮度,提高單顆磊芯片的面積以及使用功率勢不可免,但如此一來亦拌隨著高熱量的產生。

  在陶瓷封裝尚未普及前,以Lumileds所提出的K1封裝形式,在1W(或以上)的LED的領域己成為大家所熟知的產品。但是隨著市場對產品特性要求的提升,封裝廠仍不斷地改良自家產品。而利用薄膜平板陶瓷基板 (DPC Ceramic Substrate) 再加上molding直接制作光學鏡片的陶瓷封裝方式的引進,使得高功率LED封裝產品又多了一種選擇。然而這幾年的實際產品驗證,讓國際大廠不約而同地往陶瓷封裝這個方向靠攏,其中的原因值得仔細思考。

  K1與陶瓷封裝的比較,最大的差異在于設計的概念:

  K1的最大優勢在于有個金屬反光杯的結構,使得LED磊芯片的背發光效率能充分應用。但是K1的結構中的材料間彼此熱膨脹系數差異較大,如塑膠與金屬,鏡片與導線架等,在長期高功率的循環負載下,都可能使材料接口間產生間隙而使水氣進入。尤其在室外的照明應用上,使用環境更復雜,溫差,水氣外,還有環境污染所帶來的各種氣體,如硫..等,都使K1的信賴性遭遇更多挑戰。

  而陶瓷封裝的設計重點,則是著眼于信賴性。利用陶瓷與金屬的高導熱性,將高功率所產生的熱迅速導出封裝體外。再加上陶瓷與金屬,或陶瓷與一次光學部份的高分子(硅膠)的熱膨脹系數差異較小,應此減少了材料間熱應力所產生的風險。此外,一次光學的硅膠是采用molding制程所制作,一體成型并復蓋整個陶瓷基板,兼具光學及保護作用,使陶瓷封裝的信賴性遠高于K1。當然,陶瓷封裝采用的是薄膜平板陶瓷,對于磊芯片的背光只能靠平面金屬來反射,所以光的使用效率會比K1低一些,但由于陶瓷封裝的本體溫度較低,所以兩者的效應加總起來,兩者的整體發光效率差異并不明顯。

  至于生產效益或其他特性的比較,整理如圖1。隨著陶瓷封裝制程不斷改進,K1被陶瓷程取代的趨勢似乎是愈來愈明顯。

LED

圖1:K1與3535陶瓷基板封裝產品之綜合比較

  而實際在燈具的設計使用上,陶瓷封裝也有其優勢。以球泡燈的應用為例:

  隨著單位亮度不斷增加,LED在照明領域的應用愈來愈廣。為了持續增加LED的亮度,提高單顆磊芯片的面積以及使用功率勢不可免,但如此一來亦拌隨著高熱量的產生。

  在陶瓷封裝尚未普及前,以Lumileds所提出的K1封裝形式,在1W(或以上)的LED的領域己成為大家所熟知的產品。但是隨著市場對產品特性要求的提升,封裝廠仍不斷地改良自家產品。而利用薄膜平板陶瓷基板 (DPC Ceramic Substrate) 再加上molding直接制作光學鏡片的陶瓷封裝方式的引進,使得高功率LED封裝產品又多了一種選擇。然而這幾年的實際產品驗證,讓國際大廠不約而同地往陶瓷封裝這個方向靠攏,其中的原因值得仔細思考。

  K1與陶瓷封裝的比較,最大的差異在于設計的概念:

  K1的最大優勢在于有個金屬反光杯的結構,使得LED磊芯片的背發光效率能充分應用。但是K1的結構中的材料間彼此熱膨脹系數差異較大,如塑膠與金屬,鏡片與導線架等,在長期高功率的循環負載下,都可能使材料接口間產生間隙而使水氣進入。尤其在室外的照明應用上,使用環境更復雜,溫差,水氣外,還有環境污染所帶來的各種氣體,如硫..等,都使K1的信賴性遭遇更多挑戰。

  而陶瓷封裝的設計重點,則是著眼于信賴性。利用陶瓷與金屬的高導熱性,將高功率所產生的熱迅速導出封裝體外。再加上陶瓷與金屬,或陶瓷與一次光學部份的高分子(硅膠)的熱膨脹系數差異較小,應此減少了材料間熱應力所產生的風險。此外,一次光學的硅膠是采用molding制程所制作,一體成型并復蓋整個陶瓷基板,兼具光學及保護作用,使陶瓷封裝的信賴性遠高于K1。當然,陶瓷封裝采用的是薄膜平板陶瓷,對于磊芯片的背光只能靠平面金屬來反射,所以光的使用效率會比K1低一些,但由于陶瓷封裝的本體溫度較低,所以兩者的效應加總起來,兩者的整體發光效率差異并不明顯。

  至于生產效益或其他特性的比較,整理如圖1。隨著陶瓷封裝制程不斷改進,K1被陶瓷程取代的趨勢似乎是愈來愈明顯。

LED

圖1:K1與3535陶瓷基板封裝產品之綜合比較

  而實際在燈具的設計使用上,陶瓷封裝也有其優勢。以球泡燈的應用為例:

  圖2為1W的 K1及 3535陶瓷封裝實際外觀圖,明顯地可以比較出,陶瓷封裝的面積比K1小了3倍以上,這對于燈具中LED的排列上有了更大的彈性。

LED

圖2:K 1與3535陶瓷封裝的外觀尺寸比較

  此外, 陶瓷封裝的高度較低,因此在同樣的系統板上,陶瓷封裝所制作的燈泡可以避免掉局部暗區的問題,如圖3,4:

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圖3:3535陶瓷封裝與K1在球泡燈中的暗區比較(1)

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圖4:3535陶瓷封裝與K1在球泡燈中的暗區比較(2)

  陶瓷封裝的制程與傳統導線架的封裝制程及設備大多不相同,因此目前大部份都是由歐美各龍頭廠所供應,國內各大廠都尚在試產的階段。并日電子目前已完成所有陶瓷封裝的信賴性測試,并已設置完月產6kk的量產線,未來預計再擴充至月產30kk。并日電子將致力于高功率LED陶瓷封裝,并使陶瓷封裝成為照明應用最佳的解決方案。

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