倒装LED芯片的灯丝灯

曹文祥 瞿崧  苏永司 刘建邦

1 灯丝灯发展介绍

2014年年对于LED产业或是多利的一年，因为自今年起，美国、中国、韩国和澳大利亚等国对白炽灯的规制范围将从现有的产业用领域扩大至住宅用室内照明；然而，白炽灯自从爱迪生（1879年）发明至今，人类使用此产品也将近100多年，其在人类的发展历程中占有重要地位，人类对他的习惯和使用方式仍是认定其为最直接的光源。近年来，随着科技的发展，节能环保意识的抬头，白炽灯其高耗能、短寿命、不安全、不符合产业政策等问题，成为照明技术发展过程中逐渐被淘汰的旧时代的产物。再者，加上节能灯发光效率、节能、寿命。体积及环保皆不及LED，英国卫生部发布关于节能灯的警告，破碎的节能灯导致汞释放的危险，并造成环境污染，因此尽管现阶段LED介个竞争力虽不敌节能灯，后势仍具潜力。为加速LED的普及，新型覆晶封装技术将可望在市场中崭露头角，吸引个LED封装厂争相布局。

LED灯丝的最初概念或许可以从具有六面发光的透明基板的发光源被启发，由于具有比传统封装方式较佳的外部光萃取效率，不必透过繁琐的二次光学而达到光杨均匀性的效果。在早期的LED封装应用上其相关的应用技术还不是很成熟的条件下再加上传统的LED灯的设计过于复杂和不耐看、且成本又高,消费者接受度普遍较低。直到2008年日本牛尾光源才首次推出灯丝灯的外形结构，并实现量产，随后日本PANASONIC等几家国内外厂家也开始展开研发。从外形来看它就是用LED制作的俄白炽灯，消费者的接受度也就大大提升并广受欢迎，由于它可以轻易做到360℃全角度发光并不需加透镜和笨重的散热器系统，实现三维照明角度，寿命长、发热少、性能好，无光圈、无暗区、无眩光、无频闪。堪称现今全周光的最佳设计方案。纵观目前各方的设计，LED灯丝泡由LED灯丝、驱动电源、玻璃灯柱支架、玻璃泡、标准灯头五金件几部分组成。灯丝封装的设计仍旧以小电流驱动小芯片为主，平均每根灯丝做到1w左右，效率大概120lm/w~130lm/w,由于LED灯丝封装是一种技术创新，普通的LED灯珠是单个电压为3.0v的芯片固定在塑料支架杯内，再进行点胶封装，即PLCC封装。而LED灯丝将是多个芯片串联固定在有线路的透明基板上，两端拉出电极。再进行封装完成。LED灯丝具有小电流高电压的特性，有效降低了LED灯丝的发热和驱动器的成本，具有突出的优势。

从市场角度来看，LED灯丝灯少了LED灯珠、灯板需要的二次光学成本，LED灯丝球泡灯完全符合消费者对于照明灯具的“习惯性”认识。在白炽灯、节能灯独霸市场的今天，作为一个革命性的产品，LED灯丝灯带来的应先公会逐年增大，它的市场潜力将越发明显。

2 晶阳照明的里程碑

晶阳照明成立于2013年七月，结合晶电上游的芯片制造能力与宇中高虹制造灯能力。合资创立以生产和研发LED灯为主的高端半导体技术性公司。去年晶阳公司的第一代产品在广州展亮相，即广受大众的好评。随后经过几次技术改良以及客户市场上的需求反应，引进晶电的倒装芯片直接应用在灯丝灯上的领头羊。由于晶阳的第二期新厂房在2014下半年即可开始运营，面积76,000平方米的宇中LED大楼势必可为强大的需求增加不少产能。晶阳照明结合光、机、电、材料化学等各方面专业人才，积极参与技术研讨会并与国际大厂合作开发下一阶段新颖性的产品以及可持续性的节能环保的高效率LED灯。

3 倒装芯片应用的优势

Flip Chip(覆晶，又称倒晶)，覆晶技术室一种半导体的芯片封装技术，首次出现是在上个世纪60年代。这是将芯片翻转朝下，再以芯片上长出的凸快与基板直接连接。而LED覆晶技术在80-90年代才被广泛应用和发展。LED发光效率一般称为组件的外部量子效率，其为组件的内部量子效率及组件的光萃效率的乘积。所谓组件的内部量子效率其实就是组件本省的电光转换效率，主要与组件本身的特性如组件材料的能带、缺陷、杂志及组件的磊晶组成及结构等相关。对于使用蓝宝石基板的CaN系列材料而言，因为其P极及N极的电极的挡光而损失大部分的光量，又因为蓝宝石基板是透明的，如果可以将光由蓝宝石基板端取出，光量必然大增，这是为什么采用覆晶封装技术有较大面积发光的原因。而这样的做法因降低了在电极侧的光损耗，可得到接近于传统传统封装方式两倍左右的光量输出。另一方面，因为覆晶结构可直接藉由电极或是凸快与封装结构中的散热结构直接接触，而大幅提升组件的散热效果，进一步提升组件的光量。

由于早期组件发展集中在提升内部量子效率，方法主要是利用提高磊晶的质量及改变磊晶的结构，使电能不易转换成热能，进而间接提高LED的发光效率，可获得约90%左右的理论内部量子效率。但是这样的内部量子效率几乎已经接近理论的极限，在这样的情况，光靠提升组件的内部量子效率不可能提升组件的总光量，因此提升组件的光萃取率主要可以分为几个方向，其中一个便是使用覆晶封装技术。这与目前透过打线的封装技术相比，覆晶技术结合具有发光面积较大、散热佳可驱动高电流、免打线、良率高于薄型化等优点，该技术有助于缩短LED制程于高温烘烤时间，以减低物料热应力，且制程简化易于良率管控。不同于打线的封装制程要求物料质量，即基板镀层、芯片电极，以及瓷嘴设计、金线材质及制程参数的复杂讲究。因此，在照明及灯丝条的封装上游其成本优势，可减少以往封装成本。可将晶粒直接做成cob或未来cof都是指日可待。目前晶阳照明的灯丝封装机采用覆晶技术的各项优点来达到低成本高性能的灯丝灯。

4 灯丝灯面临之技术挑战

LED的散热现在越来越为人们所重视，这是因为LED的光衰或其寿命是直接和其结温有关，散热不好结温就高，寿命就短，依照阿雷纽斯法则温度每降低十度寿命就会延长2倍。遗憾的是，现在时机LED灯具的寿命变成了一个影响其性能的主要问题和课题，所以必须要认真对待！而且，结温影响长时间寿命。假如结温为25度时的发光为100%，那么结温上升至60度时，其发光量就只有90%：结温为100度时久下降到80%；140度时就只有70%。可见改善散热，控制结温是十分重要的事情。除此以外LED的发热还会使得其光谱移动；色温升高；正向电流增大；反向电流也增大；热应力增高；荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题，所以说，LED的散热是LED灯具的设计中最为重要的一个问题。

由于灯丝灯泡的级数散热是靠填充泡壳内的气体因为热对流及热辐射而将热到出去散掉，因此在设计灯丝灯的结构需考量几个因素，包含灯丝与灯丝之间的光干扰因子、元器件的稳定性。填充气体的种类和压力、灯丝基板的散热能力以及基板的尺寸大小、芯片与芯片间的排布情况；其用意乃在减低LED的热阻以增加寿命。

5 灯丝灯未来发展趋势

LED灯丝主要有两大发展方向。其一是取代白炽灯的市场，按美国的标准，主要是取代15w、25w、40w三种白炽灯；其二则是装饰灯。未来可挠灯丝或是将LED应用在可挠式基板上将会成为下一波大家积极开发的方向，为更接近传功的钨丝灯型式迈进。

这些应用影响所及也将在平板显示，电子纸，生物医学组件上将被大量采用采用而崭露头角。以往有机发光二极管逐渐被鄙弃，因为OLEDs拥有较短的寿命、较低的光效、与无机发光二极管比起来光的输出量更显不足。自从2005年第一次有roger团队开始发出可挠式LED后，许多大厂也开始重视它未来它的应用型。

责任编辑：ck 来源：中国LED照明论坛论文集