過去LED業者為了獲利充分的白光LED光束，曾經開發大尺寸LED芯片試圖借此方式達成預期目標，不過實際上白光LED的施加電力持續超過1W以上時光束反而會下降，發光效率則相對降低20～30%，換句話說白光LED的亮度如果要比傳統LED大數倍，消費電力特性希望超越熒光燈的話，就必需先克服下列的四大課題：a.抑制溫升；b.確保使用壽命；c.改善發光效率；d.發光特性均等化。

有關溫升問題具體方法是降低封裝的熱阻抗；維持LED的使用壽命具體方法，是改善芯片外形、采用小型芯片；改善LED的發光效率具體方法是改善芯片結構、采用小型芯片；至于發光特性均勻化具體方法是LED的改善封裝方法，一般認為2005～2006年白光LED可望開始采用上述對策。

開發經緯

增加電力反而會造成封裝的熱阻抗急遽降至10K/W以下，因此國外業者曾經開發耐高溫白光LED試圖借此改善上述問題，然而實際上大功率LED的發熱量卻比小功率LED高數十倍以上，而且溫升還會使發光效率大幅下跌，即使封裝技術允許高熱量不過LED芯片的接合溫度卻有可能超過容許值，最后業者終于領悟到解決封裝的散熱問題才是根本方法。

有關LED的使用壽命，例如改用硅質密封材料與陶瓷封裝材料，能使LED的使用壽命提高10%，尤其是白光LED的發光頻譜含有波長低于450nm短波長光線，傳統環氧樹脂密封材料極易被短波長光線破壞，高功率白光LED的大光量更加速密封材料的劣化，根據業者測試結果顯示連續點燈不到一萬小時，高功率白光LED的亮度已經降低一半以上，根本無法滿足照明光源長壽命的基本要求。

有關LED的發光效率，改善芯片結構與封裝結構，都可以達到與低功率白光LED相同水準，主要原因是電流密度提高2倍以上時，不但不容易從大型芯片取出光線，結果反而會造成發光效率不如低功率白光LED的窘境，如果改善芯片的電極構造，理論上就可以解決上述取光問題。

有關發光特性均勻性，一般認為只要改善白光LED的熒光體材料濃度均勻性，與熒光體的制作技術應該可以克服上述困擾。

如上所述提高施加電力的同時，必需設法減少熱阻抗、改善散熱問題，具體內容分別是：

①降低芯片到封裝的熱阻抗

②抑制封裝至印刷電路基板的熱阻抗

③提高芯片的散熱順暢性

為了要降低熱阻抗，許多國外LED廠商將LED芯片設在銅與陶瓷材料制成的散熱鰭片（heat sink）表面，接著再用焊接方式將印刷電路板上散熱用導線，連接到利用冷卻風扇強制空冷的散熱鰭片上，根據德國OSRAM Opto Semiconductors Gmb實驗結果證實，上述結構的LED芯片到焊接點的熱阻抗可以降低9K/W，大約是傳統LED的1/6左右，封裝后的LED施加2W的電力時，LED芯片的接合溫度比焊接點高18K，即使印刷電路板溫度上升到500C，接合溫度頂多只有700C左右；相較之下以往熱阻抗一旦降低的話，LED芯片的接合溫度就會受到印刷電路板溫度的影響，如此一來必需設法降低LED芯片的溫度，換句話說降低LED芯片到焊接點的熱阻抗，可以有效減輕LED芯片降溫作業的負擔。反過來說即使白光LED具備抑制熱阻抗的結構，如果熱量無法從封裝傳導到印刷電路板的話，LED溫度上升的結果發光效率會急遽下跌，因此松下電工開發印刷電路板與封裝一體化技術，該公司將1mm正方的藍光LED以flip chip方式封裝在陶瓷基板上，接著再將陶瓷基板粘貼在銅質印刷電路板表面，根據松下表示包含印刷電路板在內模塊整體的熱阻抗大約是15K/W左右。

由于散熱鰭片與印刷電路板之間的密著性直接左右熱傳導效果，因此印刷電路板的設計變得非常復雜，有鑒于此美國Lumileds與日本CITIZEN等照明設備、LED封裝廠商，相繼開發高功率LED用簡易散熱技術，CITIZEN公司2004年開始樣品出貨的白光LED封裝，不需要特殊接合技術也能夠將厚約2～3mm散熱鰭片的熱量直接排放到外部，根據該公司表示雖然LED芯片的接合點到散熱鰭片的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大，而且在一般環境下室溫會使熱阻抗增加1W左右，不過即使是傳統印刷電路板無冷卻風扇強制空冷狀態下，該白光LED模塊也可以連續點燈使用。

Lumileds公司2005年開始樣品出貨的高功率LED芯片，接合容許溫度更高達+1850C，比其它公司同級產品高600C，利用傳統RF4印刷電路板封裝時，周圍環境溫度400C范圍內可以輸入相當于1.5W電力的電流（大約是400mA） 。

如以上介紹Lumileds與CITIZEN公司采取提高接合點容許溫度，德國OSRAM公司則是將LED芯片設在散熱鰭片表面，達成9K/W超低熱阻抗記錄，該記錄比OSRAM過去開發同級品的熱阻抗減少40%，值得一提是該LED模塊封裝時，采用與傳統方法相同的flip chip方式，不過LED模塊與熱鰭片接合時，則選擇最接近LED芯片發光層作為接合面，借此使發光層的熱量能夠以最短距離傳導排放。

2003年東芝Lighting公司曾經在400mm正方的鋁合金表面，鋪設發光效率為60lm/W低熱阻抗白光LED，無冷卻風扇等特殊散熱組件前提下，試作光束為300lm的LED模塊，由于東芝Lighting公司擁有豐富的試作經驗，因此該公司表示由于仿真分析技術的進步，2006年之后超過60lm/W的白光LED，都可以輕松利用燈具、框體提高熱傳導性，或是利用冷卻風扇強制空冷方式設計照明設備的散熱，不需要特殊散熱技術的模塊結構也能夠使用白光LED。

有關LED的長壽化，目前LED廠商采取的對策是變更密封材料，同時將熒光材料分散在密封材料內，尤其是硅質密封材料比傳統藍光、近紫外光LED芯片上方環氧樹脂密封材料，可以更有效抑制材質劣化與光線穿透率降低的速度。

由于環氧樹脂吸收波長為400～450nm的光線的百分比高達45%，硅質密封材料則低于1%，輝度減半的時間環氧樹脂不到一萬小時，硅質密封材料可以延長到四萬小時左右，幾乎與照明設備的設計壽命相同，這意味著照明設備使用期間不需更換白光LED。不過硅質樹脂屬于高彈性柔軟材料，加工上必需使用不會刮傷硅質樹脂表面的制作技術，此外制程上硅質樹脂極易附著粉屑，因此未來必需開發可以改善表面特性的技術。

雖然硅質密封材料可以確保LED四萬小時的使用壽命，然而照明設備業者卻出現不同的看法，主要爭論是傳統白熾燈與熒光燈的使用壽命，被定義成“亮度降至30%以下”，亮度減半時間為四萬小時的LED，若換算成亮度降至30%以下的話，大約只剩二萬小時左右。目前有兩種延長組件使用壽命的對策，分別是：

1、抑制白光LED整體的溫升；

2、停止使用樹脂封裝方式。

一般認為如果徹底執行以上兩項延壽對策，可以達成亮度30%四萬小時的要求。抑制白光LED溫升可以采用冷卻LED封裝印刷電路板的方法，主要原因是封裝樹脂高溫狀態下，加上強光照射會快速劣化，依照阿雷紐斯法則溫度降低100C壽命會延長2倍。

停止使用樹脂封裝可以徹底消滅劣化因素，因為LED產生的光線在封裝樹脂內反射，如果使用可以改變芯片側面光線行進方向的樹脂材質反射板，由于反射板會吸收光線，所以光線的取出量會急遽銳減，這也是LED廠商一致采用陶瓷系與金屬系封裝材料主要原因。

芯片大小的爭議

有兩種方法可以改善白光LED芯片的發光效率，一個是使用面積比小型芯片（1mm2左右）大10倍的大型LED芯片；另外一種方式是利用多個小型高發光效率LED芯片，組合成一個單體模塊。雖然大型LED芯片可以獲得大光束，不過加大芯片面積會有弊害，例如芯片內發光層的電界不均等、發光部位受到局限、芯片內部產生的光線放射到外部過程會嚴重衰減等等。針對以上問題LED廠商透過電極結構的改良、采用flip chip封裝方式，同時整合芯片表面加工技巧，目前已經達成50lm/W的發光效率。

有關芯片整體的電界均等性，自從2、3年前出現梳子狀與網格狀（mesh）p型電極之后，采用這種方式的廠商不斷增加，而且電極也朝最佳化方向發展。

有關flip chip封裝方式，由于發光層貼近封裝端極易排放熱量，加上發光層的光線放射到外部時無電極遮蔽的困擾，所以美國Lumileds與日本豐田合成已經正式采用flip chip封裝方式，2005年開始量產大型LED的松下電器/松下電工與東芝也陸續跟進，以往采用wire bonding封裝方式的日亞化學，2004年發表的50lm/W客戶專用品LED，也是采用flip chip封裝方式。

有關芯片表面加工，它可以防止光線從芯片內部朝芯片外部放射時在界面發生反射，根據日本某LED廠商表示flip chip封裝時，若在光線取出部位藍寶石基板上設置凹凸狀結構，芯片外部的取出光束可以提高30%左右。雖然各LED廠商都不愿意透露凹凸結構詳細使用狀況，不過一般認為已經朝正式采用方向發展。

此外工程師普遍認為內建經過改良的大型LED芯片封裝實體，其實它的封裝大小某種程度已經被決定，豐田合成甚至表示收容1mm正方的LED芯片，加上封裝內部設置可以使芯片側面出射光線朝封裝上方行進的反射板，高效率取出芯片內部光線的封裝大小大約是7mm正方左右。

LED業者對小型LED芯片的發光效率提升，似乎比使用大型LED芯片模塊來得更積極，例如日本CITIZEN公司組合8個小型LED芯片，首度達成高功率LED 60lm/W業界最高發光效率，CITIZEN認為大型LED芯片的發光效率發展進度比小型芯片慢1～2年，為了要在高功率LED領域領先同業，整合多個小型LED芯片獲得大光束才是上策。該公司的白光LED使用日亞化學制作的0.3mm正方小型LED芯片，一個封裝模塊最多使用12個芯片，各LED芯片采用傳統wire bonding封裝方式，施加電力大約是2W左右。

針對多個小型LED芯片與wire bonding封裝方式，有業者認為如此只會增加封裝成本，不過CITIZEN公司認wire bonding的加工成本占白光LED整體制作成本不到1%，該公司卻強調成本增加的影響非常小，因為wire bonding的加工使用既有的設備，不需要額外的設備投資，此外同業還認為wire bonding會遮蔽LED芯片產生的光線，不過使用小型LED芯片的LED模塊，它的發光效率與影響似乎沒有預料中的嚴重。

均等化減少發光特性不均現象

最后要探討LED廠商最矚目的白光LED輝度與色溫不均問題。大部分LED廠商都認為“使用上必需篩選光學特性類似的LED”，事實上減少LED發光特性不均、LED芯片發光特性一致化，以及熒光體材料的濃度分布均勻化管理非常重要。目前大部分廠商都是從其它公司購買LED芯片，再自行開發降低發光特性分布不均的技術，依此組合制作成新型高功率LED。

對芯片外購的廠商而言，本身若擁有降低發光特性分布不均的技術，即使從各LED芯片廠商購買LED芯片，理論上仍然可以維持白光LED的光學特性。

有關LED芯片的發光特性，各廠商都非常積極進行芯片篩選、發光特性的均等化等減少LED發光特性不均的作業，其中松下電器透過芯片的篩選達成特性一致化的目標，該公司利用flip chip方式，將64個LED芯片封裝在一片基板上，最后再個別覆蓋熒光體。該公司表示試作階段曾經直接將LED芯片封裝在主基板上，不過未封裝至主基板就無法窺探LED芯片最終發光特性，即使發現發光特性不均等也無法拆卸更換，因此加工時LED芯片先封裝在sub基板測試發光特性，接著將發光特性一致的芯片移植封裝在主基板上。采用低功率LED芯片的CITIZEN則表示即使芯片數量眾多，該公司擁有可以使發光特性均等化的技巧，CITIZEN將8個LED芯片封裝在一片基板上，即使LED芯片的發光特性不均等，8個LED芯片合計的發光特性，在封裝之間的不均勻會變得非常小。

松下電工簡便化熒光體管理方法可以有效減輕發光特性不均等問題。白光LED通常是用內含熒光體材料的密封樹脂直接包覆LED芯片，此時密封樹脂中熒光體材料的濃度可能出現偏差，最后造成白光LED的色溫分布不均等，因此該公司將含熒光體材料的樹脂性sheet與LED芯片結合，由于sheet厚度與熒光體材料的濃度經過嚴謹的管理，因此LED的色溫分布不均比傳統方式減少4/5。業界認為使用熒光體sheet方式，配合LED芯片的發光特性，改變熒光體的濃度與sheet的厚度，就可以使白光LED的色溫變控制在成預期范圍內，因此使用上具有非常高的方便性。

結語

以上介紹國外各大LED廠商白光LED大功率、低耗電、長壽化最新技術動向，自從日亞化學中村博士發表藍光LED之后，利用藍光LED制成的白光LED一直被視為次世代主要照明光源，雖然目前的技術要全面取代傳統燈具還有許多問題有待克服，不過由于國內外各大LED廠商陸續加入開發行列，因此一般認為這對白光LED普及化有非常正面的助益。
來源；國際led網