提高成本效益 崭新中高功率LED封装势起
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Yole Developpement市场分析师Eric Virey
固态照明的制造厂商都在探索封装的基板、类型与成分，以在价格/效能上达到完美平衡。若要求一般大众画一张发光二极体(LED)图，看到的很可能依旧是有两支脚，用来做仪器显示的LED。但照亮小型显示器与电脑的LED，其封装技术已大幅演进，与过去的始祖排在一起，民众恐怕都认不出来。今日，LED面临第三波成长周期，其获益的增加将仰赖通用照明需求，因此封装技术需要更高的成本效益。在已封装LED的总成本中，光是封装步骤就占45%(图1)，此步骤成为业者的焦点也就不让人意外。
Yole Developpement认为，业界欲进一步提升每单位成本的照度，要达到这点有两种做法--增加每个封装产品的效能，以在系统层级减少产品数目，或是降低每单位成本。Yole指出，LED制造商从未如此努力压低成本，因提升每单位成本照度的需求已改变高功率产品的设计哲学。直到去年为止，Yole观察到在大多数情况下，LED制造商努力增加产品效能及产品复杂度，但现在，部分厂商在封装产品时专注于降低成本的设计方法。
LED、照明技术与合成半导体行销技术分析师Pars Mukish
关于这种转变，其中一个值得注意的例子就是总部位于北卡罗莱纳(North Carolina)州Durham市的Cree，其将LED晶片放入封装中。过去许多高功率LED厂商的设计趋势是使用垂直式LED，其中的磊晶或碳化矽(SiC)基板已被去除，而LED结构已接在另个载体晶圆上，而一两年前大多数Cree的高功率LED都采用此设计结构。
Cree最新的XLamp高亮度LED的XB-D产品线在2012年1月推出，重新回归先前产品的简单方法--覆晶(Flip-chip)封装。该产品只用了可以保持原先基板的覆晶技术，Cree将SiC外延基板打薄后，对其背面进行表面处理(Texturing)，以增加取光效率。对基板进行表面处理并非新技术，许多业者都使用图案化蓝宝石基板(PSS)，但Cree用更简单、便宜的设计。该公司在基板上使用类似机械锯齿的工具建立沟槽，这些沟槽的角度可最大化取光效率。而这个做法不但便宜，在产生与发射光源上似乎也极有效率，这在提升每单位成本的照度上是个聪明的设计。
除Cree外，其余厂商如欧司朗(Osram)与飞利浦(Philips)，都想要增进成本效益，但其方法各有不同。欧司朗仍使用垂直LED架构、飞利浦依旧偏爱薄膜覆晶，然而他们也去除了蓝宝石晶体、Cree使用不同的覆晶接线技术。虽然飞利浦使用晶球凸点技术，Cree则使用低温溶晶，进一步降低成本，并更能增进接触热阻。至今，Yole依旧未观察到标准化的制造方式。
图1 LED照明成本分析
电视LED产能释放 中功率LED成本下降
在一般照明之前，液晶电视背光照明曾是推动LED销售的主要驱动力，无奈市场拓展状况不如预期，造成电视背板中功率LED供过于求，且一般照明成本大幅增加。中功率LED采用极简塑胶无引线晶片载体(PLCC)封装，除替换固有、须更分散多角度多光源的日光灯管外，Yole认为，这些中功率LED已逐渐打入仅使用高功率LED的市场中，如灯泡或投射灯。
无心插柳造成的好处，显示厂商将特定类型的元件做成不同相关产品的策略，对其十分有益。首先在LED电视领域，套装产品的规格已标准化，这在LED业界十分少见，此举可让经济规模更大。因液晶电视市场不如预期强劲，已有大量的产能投入供过于求的中功率LED，让成本更进一步下降，对一些应用来说，每照度的价格便变得十分吸引人。
成本效益的考量同时也影响LED厂商满足使用者不同光色需求的方法。偏暖光的需求让业者寻找业界广泛使用的钇铝石榴石(Yttrium Aluminium Garnet, YAG)外的技术。厂商尝试将一些由氮化镓(GaN)发射器产生冷白光转黄，以取代YAG(图2)。Yole认为，YAG及其矽基板仍是首要的封装形式，然而，随着业者的服务多元，调整各种不同色光的高度需求已经出现。
图2 萤光粉发展时间表
为达到此一目标，厂商们已在光色中用两种方式加入红色元素。第一，在系统层级，制造商可在标准蓝色晶片中加入含YAG萤光粉的红色LED晶片。Cree使用此种方式，把该做法叫“真白”(TrueWhite)技术，欧司朗也是用此一做法。另一种做法可以加入发红光，多半是含氮化物的萤光粉。这种做法可视应用调整，但对高亮度LED来说，若要发出红光，这种萤光粉的生产就十分重要。问题在于氮化物萤光粉仍极昂贵且难以制造，氮化物萤光粉在某些情况下，比YAG萤光粉还贵上十到二十倍。若使用者有日亚化工(Nichia)的授权，即可以使用YAG产生黄色萤光粉。若无，则可以使用矽化合物的萤光物。但以红光来说，市场只由三菱化工与其氮化物萤光粉来主导。
COB封装提高成本效益
晶片直接封装(Chip-on-board, COB)阵列是另一种LED厂商用来提高成本效益的方法。COB制程的做法是把LED用裸晶的方式加上连接器，直接放到多半是FR4、陶瓷或金属的印刷电路板(PCB)上，此举可从供应链的裸晶层级进入模组层级，跳过封装LED阶段。接下来的封装组合等步骤，如加上镜片、萤光粉或ESD防护，都在PCB层级进行。
虽然跳过一些步骤可以降低成本，但也有一些代价。厂商虽有较低的材料成本与较高的封装密度，但现今COB制造规模仍不够大，是故组装成本较高。然而，COB同时也提供可以转变成财务利益的技术优势，这类封装技术的优势主要在于热能处理。厂商在封装层上有较少的材质介面，在晶片与散热片之类的隔离也较薄。COB另一个间接的优势是它使用较小的晶颗粒，亦带来会有两个优点。首先，制造良率会提升。紧接着，因产品由许多小颗粒构成，厂商可使用多种产品，减少混色需求造成的困扰，因此，若能适当设计封装方式，就可间接降低前段制造成本。[!--empirenews.page--]
许多厂商也正在开发高功率LED封装，使用技术优势降低成本。传统高亮度LED，典型的单一颗粒1瓦(W)～3瓦封装，渐渐从三氧化二铝(AI2O3)变为氮化铝(AIN)的基板，但该封装还未完整系统化，因为在成本与效能间须有所妥协。在产品的材料成本上，氮化铝产品比三氧化二铝贵上七到十倍。但因其会带来较高的热效率，基板可以小得多，所以若其每单位成本高四倍，整体的材料成本可能只会高两倍。
氮化铝的使用选择是厂商在成本与效能之间权衡的另一例证。高亮度产品中的主要厂商，如飞利浦、Cree与欧司朗都已在高功率LED上使用许多氮化铝，以中国大陆公司来说，就算是高亮度领域，大多数仍使用三氧化二铝而非氮化铝。Yole表示，对中国大陆的LED公司来说，会如此考量成本与效能的平衡，主要是因为他们主要聚焦于国内市场。在晶片结构上的智财权是这些公司的挑战，他们可能使用覆晶或垂直LED技术来制造高效能的装置，但目前为止要从中国大陆出口这些装置可能会是问题，因为他们没有智财权。
总而言之，就算每照度的成本成为LED业界的主要考量，厂商处理的方法也有所不同。除LED封装的做法不同外，也可以在系统设计观察到厂商相异之处。以替换灯泡的LED商品为例，从中功率LED到高功率LED，皆使用不同的封装形式。
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