陶瓷封装在高功率LED上的实际应用

在陶瓷封装尚未普及前，以Lumileds所提出的K1封装形式，在1W(或以上)的led的领域己成为大家所熟知的产品。但是随着市场对产品特性要求的提升，封装厂仍不断地改良自家产品。而利用薄膜平板陶瓷基板(DPCCeramicSubstrate)，或称为陶瓷支架。再加上molding直接制作光学镜片的陶瓷封装方式的引进，使得高功率led封装产品又多了一种选择。然而这几年的实际产品验証，让国际大厂不约而同地往陶瓷封装这个方向靠拢，其中的原因值得仔细思考。
K1的最大优势在于有个金属反光杯的结构，使得LED磊芯片的背发光效率能充分应用。但是K1的结构中的材料间彼此热膨胀系数差异较大，如塑胶与金属，芯片与导线架等，在长期高功率的循环负载下，都可能使材料接口间产生间隙而使水气进入。尤其在室外的照明应用上，使用环境更复杂，温差，水气外，还有环境污染所带来的各种气体，如硫..等，都使K1的信赖性遭遇更多挑战。
而陶瓷封装的设计重点，则是着眼于信赖性。利用陶瓷与金属的高导热性，将高功率所产生的热迅速导出封装体外。再加上陶瓷与金属，或陶瓷与一次光学部份的高分子(硅胶)的热膨胀系数差异较小，应此减少了材料间热应力所产生的风险。此外，一次光学的硅胶是采用molding制程所制作，一体成型并复盖整个陶瓷基板，兼具光学及保护作用，使陶瓷封装的信赖性远高于K1。当然，陶瓷封装采用的是薄膜平板陶瓷，对于磊芯片的背光只能靠平面金属来反射，所以光的使用效率会比K1低一些，但由于陶瓷封装的本体温度较低，所以两者的效应加总起来，两者的整体发光效率差异并不明显。
而实际在灯具的设计使用上，陶瓷封装也有其优势。图一为1W的K1及3535陶瓷封装实际外观图，明显地可以比较出，陶瓷封装的面积比K1小了3倍以上，这对于灯具中LED的排列上有了更大的弹性。
此外，陶瓷封装的高度较低，发光角度大，光色一致性优越，因此在同样的系统板上，陶瓷封装所制作的灯泡可以避免掉局部暗区的问题。
高功率芯片的单位电流较大，要充份发挥高功率芯片的光效，芯片与封装用陶瓷基板的黏合利用共晶技术取代导热银胶，才能将芯片所产生的热直接经由共晶结合面传递出去。共晶制程须要将芯片及陶瓷基板(或支架)同时置于300oC左右一段时间才能使共晶合金接口充份形成。在这么高温的制程中，目前只有陶瓷封装可以达成。K1或其他有塑胶支架的传led封装结构还无法使用共晶制程，因此未来更多高阶芯片如果利用垂直或复晶发光结构，陶瓷封装将是最好的选择。
共晶制程对温度及时间的要求相当严格，程序耗时而烦复。因此如何自动化成为封装厂最头痛的课题。并日电子经过两年的测试，已经在深圳厂区成功完成自动化共晶制程，目前陶瓷大功率产能在12KK/月，并日电子拥有强大的研发团队，能独立自主地研发关键生产设备，有能力在60天内扩大产能至100KK/月。
陶瓷封装制程还有另一种应用--COB封装。一般COB封装如图二所示，芯片封装的高度低于支架边缘，因此侧光的部份会被挡住，发光角度较小。如果利用陶瓷封装结构，将多晶植于陶瓷基板，如图三所示，不但可以取出侧光，而且陶瓷也可以充份发挥散热的功能。
并日所推出的5050尺寸，如图四所示，就是4颗芯片和3颗芯片所组成的COB结构。除此之外，由于并日也建立了自主硅胶光学镜片成型模具的制造能力，因此可以调整COB发光的发光角度，以符合不同照明须求。
高功率陶瓷封装的灯珠，最适用于小体积，高亮度的照明应用。路灯照明，由于使用环境最严苛，已証实陶瓷封装是最佳的选择，这部份不再赘述。而平常我们常接触的商用照明MR-16灯具，是陶瓷封装LED最好的应用。并日电子所推出3535及5050两种封装尺寸，可供不同MR-16照明方案使用，如图七所示，可用单颗5050或三颗3535做为灯源。利用最少的灯珠数，使二次光学透镜更单纯，也能减少LED照明时曡影的产生。
LED陶瓷封装的制程与传统LED导线架的封装制程及设备大多不相同，因此目前多由欧美各龙头厂所供应，并日电子除了致力于生产优质的陶瓷大功率光源外，更独力发展出关键制程的制造设备，使未来高阶封装制程不再受限于国外设备商手中，随时根据市场需求扩大产能。并日电子将持续致力于高功率LED陶瓷封装，并使陶瓷封装成为高功率照明应用最佳的解决方案。