提高成本效益 嶄新中高功率LED封裝勢起
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| Yole Developpement市場分析師Eric Virey |
固態照明的製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，其封裝技術已大幅演進，與過去的始祖排在一起，民眾恐怕都認不出來。今日，LED面臨第三波成長週期，其獲益的增加將仰賴通用照明需求，因此封裝技術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)，此步驟成為業者的焦點也就不讓人意外。
Yole Developpement認為，業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–增加每個封裝產品的效能，以在系統層級減少產品數目，或是降低每單位成本。Yole指出，LED製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品的設計哲學。直到去年為止，Yole觀察到在大多數情況下，LED製造商努力增加產品效能及產品複雜度，但現在，部分廠商在封裝產品時專注於降低成本的設計方法。
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| LED、照明技術與合成半導體行銷技術分析師Pars Mukish |
關於這種轉變，其中一個值得注意的例子就是總部位於北卡羅萊納(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廠商的設計趨勢是使用垂直式LED，其中的磊晶或碳化矽(SiC)基板已被去除，而LED結構已接在另個載體晶圓上，而一兩年前大多數Cree的高功率LED都採用此設計結構。
Cree最新的XLamp高亮度LED的XB-D產品線在2012年1月推出，重新回歸先前產品的簡單方法–覆晶(Flip-chip)封裝。該產品只用了可以保持原先基板的覆晶技術，Cree將SiC外延基板打薄後，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並非新技術，許多業者都使用圖案化藍寶石基板(PSS)，但Cree用更簡單、便宜的設計。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，在產生與發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計。
除Cree外，其餘廠商如歐司朗(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、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。雖然飛利浦使用晶球凸點技術，Cree則使用低溫溶晶，進一步降低成本，並更能增進接觸熱阻。至今，Yole依舊未觀察到標準化的製造方式。
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| 圖1 LED照明成本分析 |
電視LED產能釋放 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銷售的主要驅動力，無奈市場拓展狀況不如預期，造成電視背板中功率LED供過於求，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產品的策略，對其十分有益。首先在LED電視領域，套裝產品的規格已標準化，這在LED業界十分少見，此舉可讓經濟規模更大。因液晶電視市場不如預期強勁，已有大量的產能投入供過於求的中功率LED，讓成本更進一步下降，對一些應用來說，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。偏暖光的需求讓業者尋找業界廣泛使用的釔鋁石榴石(Yttrium Aluminium Garnet, YAG)外的技術。廠商嘗試將一些由氮化鎵(GaN)發射器產生冷白光轉黃，以取代YAG(圖2)。Yole認為，YAG及其矽基板仍是首要的封裝形式，然而，隨著業者的服務多元，調整各種不同色光的高度需求已經出現。
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| 圖2 螢光粉發展時間表 |
為達到此一目標，廠商們已在光色中用兩種方式加入紅色元素。第一，在系統層級，製造商可在標準藍色晶片中加入含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，歐司朗也是用此一做法。另一種做法可以加入發紅光，多半是含氮化物的螢光粉。這種做法可視應用調整，但對高亮度LED來說，若要發出紅光，這種螢光粉的生產就十分重要。問題在於氮化物螢光粉仍極昂貴且難以製造，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，即可以使用YAG產生黃色螢光粉。若無，則可以使用矽化合物的螢光物。但以紅光來說，市場只由三菱化工與其氮化物螢光粉來主導。
COB封裝提高成本效益
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製程的做法是把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，但現今COB製造規模仍不夠大，是故組裝成本較高。然而，COB同時也提供可以轉變成財務利益的技術優勢，這類封裝技術的優勢主要在於熱能處理。廠商在封裝層上有較少的材質介面，在晶片與散熱片之類的隔離也較薄。COB另一個間接的優勢是它使用較小的晶顆粒，亦帶來會有兩個優點。首先，製造良率會提升。緊接著，因產品由許多小顆粒構成，廠商可使用多種產品，減少混色需求造成的困擾，因此，若能適當設計封裝方式，就可間接降低前段製造成本。
許多廠商也正在開發高功率LED封裝，使用技術優勢降低成本。傳統高亮度LED，典型的單一顆粒1瓦(W)～3瓦封裝，漸漸從三氧化二鋁(AI2O3)變為氮化鋁(AIN)的基板，但該封裝還未完整系統化，因為在成本與效能間須有所妥協。在產品的材料成本上，氮化鋁產品比三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衡的另一例證。高亮度產品中的主要廠商，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，就算是高亮度領域，大多數仍使用三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於國內市場。在晶片結構上的智財權是這些公司的挑戰，他們可能使用覆晶或垂直LED技術來製造高效能的裝置，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。
總而言之，就算每照度的成本成為LED業界的主要考量，廠商處理的方法也有所不同。除LED封裝的做法不同外，也可以在系統設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。
