EX:
Chip
Improvement: how to optimize?
2.5 1.49 Τ1 1 Τ2
R1 T1=93.59% T1=93.59% R1: 6.41% R1: 6.41% T2=96.12% T2=96.12% R2: 3.88% R2: 3.88%
2.5 1.6 1.49 1 Τ1 Τ2 Τ3
Conformal Phosphor Coating Technology
Remote Phosphor Coating Technology
結論
• LED 封裝朝著下列方向發展
– – – 提供更高光能密度 小型化 簡易組裝
•
LED 封裝在基材的設計必須考量
– – 熱阻的極小化 必須考量光學性質來增高出光效率
高功率LED封裝設計
光學透鏡 矽膠 導電架 晶片
焊接點 導電金線 矽次級基板 (Sub-Mount) 以及ESD防護線路
散熱基座
常用工程塑膠材料
高功率LED封裝設計
光學透鏡 矽膠 導電架 晶片
焊接點 導電金線 矽次級基板 (Sub-Mount) 以及ESD防護線路
散熱基座
常用封裝填充材料的玻璃轉化點
Good Package Design LOPL White Emitter I Bad White Lamp 5mm Package Design
Life Time (Hours)
高功率LED封裝的需求
• • • • 降低熱對晶片以及其他封裝材料的影響 可以符合SMD製程或其他簡易的焊接製程 抗紫外線(UV) 增加LED出光效率
LED晶片與封裝技術的發展
1000
100 Efficiency (Lumen/Watt)
螢光燈管
Blue+Phosphor AlInGaP / GaP AlInGaP / AlGaAs AlInGaP / GaAs InGaN
鎢絲燈泡
10
黃、綠交通號誌燈 紅色交通號誌燈
GaAsP:N GaP:N
1
高熱傳導材料
高熱導絕緣材料
各式材料的熱性質
熱應力與基板的考量
高功率LED封裝設計
光學透鏡 矽膠 導電架 晶片
焊接點 導電金線 矽次級基板 (Sub-Mount) 以及ESD防護線路
散熱基座
一般焊接製程以及其製程溫度
LED封裝材料的需求
• • • • • • • 高反射的光學性質穩定材料 對於基材有高附著性 絕緣材：以避免短路 抗老化：高溫下不會變質(已符合SMT製程) 易塑性：利於各式各樣的機構設計 熱傳導：降低封裝熱阻 抗UV：以利戶外應用
T1=95.18% T1=95.18% T2=99.87% T2=99.87% T3=96.12% T3=96.12%
Silicone
R2
Air
So from Chip to Air: T=T1·T2=89.95%
<
So from Chip to Air: T=T1·T2·T3=91.38%
限制出光效率的因子：全反射效應
2.5 1.49 Τ1 1 Τ2
R1
θθ =36.58 C =36.58 C
Silicone R2
2.5 1.49 Τ1
表面無全反射 表面無全反射
θθ =42.15 C =42.15 C 1
Air
Τ2
表面無全反射 表面無全反射
螢光粉Conformal Coating的光學優勢
螢光粉Remote Phosphor Coating
1985
20mA
200 °C/W
1989
50 mA
120 °C/W
1990
100 mA
100 °W
1994
150mA
50 °C/W
1998
350 mA
10 °C/W
為什麼需要開發高功率LED
• • • • LED 的亮度與效率大幅提升，固態照明以及其他 LED 光源的應用越 來越多。 傳統的LED只能承載20-50mA電流，譬如白光T1 ¾ LED Lamp 只能 承擔 0.18W，提供約2 流明(Lumen)的光強。 主要的瓶頸在於傳統LED封裝設計熱阻(Thermal Resistance)很高， 晶片即使在50mA的電流下，晶片發光層溫度已經高達75°C。 高流明(Lumen)燈具的需求刺激高電流密度、高功率以及低熱組的需 求提升。
LED封裝技術現況與未來發展
黃道恒 (E-Mail: Francis.Wong@, Tel: (02) 22226181x2137) 策略行銷處 光電事業群
大綱
• • • • • • 為什麼LED需要封裝 LED的封裝需求 封裝熱管理與穩定的高功率LED基材設計 封裝填充材料的選擇與光學設計 高功率LED螢光粉的選用 未來高功率LED的封裝發展趨勢
高穿透率 光學穩定性高 可容忍的溫度範圍大 ( -40ºC to >260ºC) 柔軟度大 對各式材料的附著性都很好 抗濕(typically less than 0.2%) 黏度可調
適合可波長的LED光學封裝 減少顏色因為使用時間而改變 可容忍SMT製程以及低溫應用 不會增加膠材晶片的熱應力 對於基材的選擇有更大的容忍度 減少LED或螢光粉受溼氣的影響 可通用灌膠或是壓模的製程
限制出光效率的因子：介面反射率
T+R=1 T+R=1 T=4·n1·n2/(n1+n2)22 T=4·n1·n2/(n1+n2) 2 R=(n2-n1)22/(n1+n2)2 R=(n2-n1)/(n1+n2)
T: transmission R: Reflective R
n1 n2
若兩介質的折射率越近損失越少 若兩介質的折射率越近損失越少 Τ
120%
100% Relatvie Intensity (%)
80%
60%
40% Phosphor (Remote) Blue LED Phophor (Conventional)
20%
0% 250
275
300
325
350 ILED (mA)
375
400
425
450
螢光粉塗佈的技術比較
Conventional Phosphor Coating Technology
熱阻的定義
TJunction = TAmbient + (Pd) x (RTH, J-A)
高功率LED封裝的熱源
環境溫度
SMT
光學透鏡 矽膠
導電架
晶片
焊接點 導電金線 矽次級基板 (Sub-Mount) 以及ESD防護線路
散熱基座
固晶是影響高功率LED封裝的熱流
焊接取代導熱膠
共金製(Eutectic)程取代傳統銀膠 ( Conductive Epoxy)
•
LED的封裝膠材的選擇必須考量
– – – – 必須有高玻璃轉化點(Tg) ，以保長時間的應用 光學折射率的與晶片的匹配 抗UV的議題越來越重要 封裝膠材表面的光學設計
•
LED的螢光粉的製程必須考量
– – 螢光粉的信賴度是首要要件 光學色度的均勻表現
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Francis Wong +886 (2) 22226181 x 2137 +886 933503962
溼度 19%
機械 20%
LED壽命跟封裝的散熱設計有很大的關係
100% 90% 80% Relative Intensity (%) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
10 00 0 50 00 10 00 00 40 00 20 00 60 00 50 00 0 10 00 16 8 80 0 30 00 0 50 0
各式燈源熱的輸出
熱 80%
紅外光 83%
可見光 5%
可見光 20%
熱 12%
LED
傳統鎢絲燈泡
LED失效模式的統計
溫度 55%
影響1: 拋長熱飄移
λd(T1) =λd (T2) · ΔTj · 0.1(nm/’C)
影響 2: 亮度熱減損 Φv(T1) =Φv (T2) · e-k ΔTj
灰塵 6%
若n2>n1會產生全反射 若n2>n1會產生全反射 n1·sin90=n2·sinθC n1·sin90=n2·sinθ
C
n1 n2 Τ
R
必須讓入射角小於全反射角 必須讓入射角小於全反射角
T: transmission R: Reflective
EX:
Chip
Improvement: how to optimize?
600
500 Linear Expansion (mm)
400
300
200
100
Tg
Epoxy Silicone -50 0 50 100 150 200
0 Ambient Temperature (C)
常用封裝材料在UV曝光下的穿透率
選用矽膠(Silicones)的優點結論
特性 低金屬離子污染 (<2 ppm) 優點 減少對晶片的侵蝕
LED 封裝之目的
• • • • • • 封裝就是把晶片用專用的塑膠殼封起來, 而在封起來之前, 要把預先設 計好的接腳接出來作為可以供商業使用之電子元件 保護晶片防禦輻射, 水氣, 氧氣, 以及外力破壞 提高元件之可靠度 改善/提升晶片性能 提供晶片散熱機構 設計各式封裝形式, 提供不同之產品應用
GaP:Zn,O
GaAsP
0.1 1960
Source: Lite-On 2007
InGaN SiC
Red Blue Green White 2000 2010