提高成本效益　嶄新中高功率LED封裝勢起

　　固態(tài)照明的制造廠商都在探索封裝的基板、類型與成分，以在價格/效能上達到完美平衡。若要求一般大眾畫一張發(fā)光二極體（LED）圖，看到的很可能依舊是有兩支腳，用來做儀器顯示的LED。但照亮小型顯示器與電腦的LED，其封裝技術(shù)已大幅演進，與過去的始祖排在一起，民眾恐怕都認(rèn)不出來。今日，LED面臨第三波成長周期，其獲益的增加將仰賴通用照明需求，因此封裝技術(shù)需要更高的成本效益。在已封裝LED的總成本中，光是封裝步驟就占45% （圖1），此步驟成為業(yè)者的焦點也就不讓人意外。

　　Yole Developpement認(rèn)為，業(yè)界欲進一步提升每單位成本的照度，要達到這點有兩種做法--增加每個封裝產(chǎn)品的效能，以在系統(tǒng)層級減少產(chǎn)品數(shù)目，或是降低每單位成本。Yole指出，LED制造商從未如此努力壓低成本，因提升每單位成本照度的需求已改變高功率產(chǎn)品的設(shè)計哲學(xué)。直到去年為止，Yole觀察到在大多數(shù)情況下，LED制造商努力增加產(chǎn)品效能及產(chǎn)品復(fù)雜度，但現(xiàn)在，部分廠商在封裝產(chǎn)品時專注于降低成本的設(shè)計方法。

　　關(guān)于這種轉(zhuǎn)變，其中一個值得注意的例子就是總部位于北卡羅萊納（North Carolina）州Durham市的Cree，其將LED晶片放入封裝中。過去許多高功率LED廠商的設(shè)計趨勢是使用垂直式LED，其中的磊晶或碳化硅 （SiC）基板已被去除，而LED結(jié)構(gòu)已接在另個載體晶圓上，而一兩年前大多數(shù)Cree的高功率LED都採用此設(shè)計結(jié)構(gòu)。

　　Cree最新的XLamp高亮度LED的XB-D產(chǎn)品線在2012年1月推出，重新回歸先前產(chǎn)品的簡單方法--覆晶（Flip-chip）封裝。該產(chǎn)品只用了可以保持原先基板的覆晶技術(shù)，Cree將SiC外延基板打薄后，對其背面進行表面處理（Texturing），以增加取光效率。對基板進行表面處理并非新技術(shù)，許多業(yè)者都使用圖案化藍寶石基板（PSS），但Cree用更簡單、便宜的設(shè)計。該公司在基板上使用類似機械鋸齒的工具建立溝槽，這些溝槽的角度可最大化取光效率。而這個做法不但便宜，在產(chǎn)生與發(fā)射光源上似乎也極有效率，這在提升每單位成本的照度上是個聰明的設(shè)計。

　　除Cree外，其余廠商如歐司朗（Osram）與飛利浦（Philips），都想要增進成本效益，但其方法各有不同。歐司朗仍使用垂直LED架構(gòu)、飛利浦依舊偏愛薄膜覆晶，然而他們也去除了藍寶石晶體、Cree使用不同的覆晶接線技術(shù)。雖然飛利浦使用晶球凸點技術(shù)，Cree則使用低溫溶晶，進一步降低成本，并更能增進接觸熱阻。至今，Yole依舊未觀察到標(biāo)準(zhǔn)化的制造方式。

　　圖1 LED照明成本分析

　　電視LED產(chǎn)能釋放 中功率LED成本下降

　　在一般照明之前，液晶電視背光照明曾是推動LED銷售的主要驅(qū)動力，無奈市場拓展?fàn)顩r不如預(yù)期，造成電視背板中功率LED供過于求，且一般照明成本大幅增加。中功率LED採用極簡塑膠無引線晶片載體（PLCC）封裝，除替換固有、須更分散多角度多光源的日光燈管外，Yole認(rèn)為，這些中功率LED已逐漸打入僅使用高功率LED的市場中，如燈泡或投射燈。

　　無心插柳造成的好處，顯示廠商將特定類型的元件做成不同相關(guān)產(chǎn)品的策略，對其十分有益。首先在LED電視領(lǐng)域，套裝產(chǎn)品的規(guī)格已標(biāo)準(zhǔn)化，這在LED業(yè)界十分少見，此舉可讓經(jīng)濟規(guī)模更大。因液晶電視市場不如預(yù)期強勁，已有大量的產(chǎn)能投入供過于求的中功率LED，讓成本更進一步下降，對一些應(yīng)用來說，每照度的價格便變得十分吸引人。

　　成本效益的考量同時也影響LED廠商滿足使用者不同光色需求的方法。偏暖光的需求讓業(yè)者尋找業(yè)界廣泛使用的釔鋁石榴石（Yttrium Aluminium Garnet， YAG）外的技術(shù)。廠商嘗試將一些由氮化鎵（GaN）發(fā)射器產(chǎn)生冷白光轉(zhuǎn)黃，以取代YAG（圖2）。Yole認(rèn)為，YAG及其硅基板仍是首要的封裝形式，然而，隨著業(yè)者的服務(wù)多元，調(diào)整各種不同色光的高度需求已經(jīng)出現(xiàn)。

　　圖2 螢光粉發(fā)展時間表

　　為達到此一目標(biāo)，廠商們已在光色中用兩種方式加入紅色元素。第一，在系統(tǒng)層級，制造商可在標(biāo)準(zhǔn)藍色晶片中加入含YAG螢光粉的紅色LED晶片。Cree使用此種方式，把該做法叫「真白」（TrueWhite）技術(shù)，歐司朗也是用此一做法。另一種做法可以加入發(fā)紅光，多半是含氮化物的螢光粉。這種做法可視應(yīng)用調(diào)整，但對高亮度LED來說，若要發(fā)出紅光，這種螢光粉的生產(chǎn)就十分重要。問題在于氮化物螢光粉仍極昂貴且難以制造，氮化物螢光粉在某些情況下，比 YAG螢光粉還貴上十到二十倍。若使用者有日亞化工（Nichia）的授權(quán)，即可以使用YAG產(chǎn)生黃色螢光粉。若無，則可以使用硅化合物的螢光物。但以紅光來說，市場只由叁菱化工與其氮化物螢光粉來主導(dǎo)。

　　COB封裝提高成本效益

　　晶片直接封裝（Chip-on-board， COB）陣列是另一種LED廠商用來提高成本效益的方法。COB制程的做法是把LED用裸晶的方式加上連接器，直接放到多半是FR4、陶瓷或金屬的印刷電路板（PCB）上，此舉可從供應(yīng)鏈的裸晶層級進入模組層級，跳過封裝LED階段。接下來的封裝組合等步驟，如加上鏡片、螢光粉或ESD防護，都在PCB層級進行。

　　雖然跳過一些步驟可以降低成本，但也有一些代價。廠商雖有較低的材料成本與較高的封裝密度，但現(xiàn)今COB制造規(guī)模仍不夠大，是故組裝成本較高。然而，COB同時也提供可以轉(zhuǎn)變成財務(wù)利益的技術(shù)優(yōu)勢，這類封裝技術(shù)的優(yōu)勢主要在于熱能處理。廠商在封裝層上有較少的材質(zhì)介面，在晶片與散熱片之類的隔離也較薄。COB另一個間接的優(yōu)勢是它使用較小的晶顆粒，亦帶來會有兩個優(yōu)點。首先，制造良率會提升。緊接著，因產(chǎn)品由許多小顆粒構(gòu)成，廠商可使用多種產(chǎn)品，減少混色需求造成的困擾，因此，若能適當(dāng)設(shè)計封裝方式，就可間接降低前段制造成本。

　　許多廠商也正在開發(fā)高功率LED封裝，使用技術(shù)優(yōu)勢降低成本。傳統(tǒng)高亮度LED，典型的單一顆粒1瓦（W）～3瓦封裝，漸漸從叁氧化二鋁（AI2O3）變?yōu)榈X（AIN）的基板，但該封裝還未完整系統(tǒng)化，因為在成本與效能間須有所妥協(xié)。在產(chǎn)品的材料成本上，氮化鋁產(chǎn)品比叁氧化二鋁貴上七到十倍。但因其會帶來較高的熱效率，基板可以小得多，所以若其每單位成本高四倍，整體的材料成本可能只會高兩倍。

　　氮化鋁的使用選擇是廠商在成本與效能之間權(quán)衡的另一例證。高亮度產(chǎn)品中的主要廠商，如飛利浦、Cree與歐司朗都已在高功率LED上使用許多氮化鋁，以中國大陸公司來說，就算是高亮度領(lǐng)域，大多數(shù)仍使用叁氧化二鋁而非氮化鋁。Yole表示，對中國大陸的LED公司來說，會如此考量成本與效能的平衡，主要是因為他們主要聚焦于國內(nèi)市場。在晶片結(jié)構(gòu)上的智財權(quán)是這些公司的挑戰(zhàn)，他們可能使用覆晶或垂直LED技術(shù)來制造高效能的裝置，但目前為止要從中國大陸出口這些裝置可能會是問題，因為他們沒有智財權(quán)。

　　總而言之，就算每照度的成本成為LED業(yè)界的主要考量，廠商處理的方法也有所不同。除LED封裝的做法不同外，也可以在系統(tǒng)設(shè)計觀察到廠商相異之處。以替換燈泡的LED商品為例，從中功率LED到高功率LED，皆使用不同的封裝形式。