木虫 (著名写手)
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发光二极管(Light Emitting Diode; LED)的发光原理是将电能转化成光能，经由材料之变化， LED 可发出不同波长的光，涵盖范围从短波长之UV 光、一般波长之可见光（红、蓝、绿）到长波长之红外光。其属于冷性发光，具有节能（省电）、体积小、寿命长（10 万小时）、反应速度快（1000 秒）、污染低、高可靠度、模块弹性大等众多优点，因此应用范畴非常广泛。可见光LED 产品分布从低亮度的指示光源、室内显示，到目前高亮度需求之大型广告牌、交通号志、背光源模块、照明设备等都有其踪迹，未来更朝向以高亮度白光为照明光源目标前进，根据PIDA 预测显示， 2010 年白光LED 发光效率可以达到120 lm/W，在韩国方面也有几乎同步的发展蓝图；根据工研院产经中心(IEK)调查显示，至2008 年全球高亮度LED 产值将超过50 亿美元。
特别是TFT LCD 朝大尺寸电视应用发展时，由于液晶显示器(LCD)本身不具发光特性，必须依赖背光源来达到显示的功能。背光源的亮度、效率、寿命长短、演色性高低，直接影响到LCD 特性表现，为满足电视符合远距离观赏的需求，背光模块将朝500 nits 以上高亮度开发。由于液晶为非自发光材料，因此必须另外提供光源， 20吋以下产品采用侧光源设计，再以导光板、增亮膜、扩散膜及反射膜等来提高光的均匀性及发光效率，使用的灯管数为2~8 支，LCD TV 对亮度及广视角特性要求较高，因此直下式光源成为大型Monitor 与电视的主流，高亮度LED 背光模块将成为发展重点。
目前几乎所有的LCD 都采用冷阴极灯管(Cold Cathode Fluorescent Lamp; CCFL)为背光源。但CCFL 存有演色性偏低及含汞问题，因此相关厂商积极地寻求CCFL 的替代解决方案，例如FFL (Flat Fluorescent Lamp)、EL (Electro Luminescent Lamp)、LED (LightEmitting Diode)、EEFL (External Electrode Fluorescent Lamp)等。美商Lumileds 于2003年SID 展中推出使用LED 作为背光源的液晶电视(LCD TV)展示品，开启LED 于LCDTV背光源应用可能性。其后包括Philips 、SONY 、三菱等厂商都在展览场上展示出相关产品， 2004 年底， SONY 销售使用LED作为背光源的LCD TV「Qualia」， LED 于大尺寸面板背光源的应用达到商品化，让LED在CCFL 替代技术竞争中，取得明显领先地位。中小尺寸的面板开始逐步采用LED 作为背光光源。目前主要的应用在手机面板所需之背光源亮度为1,500~1,600 mcd ，高阶笔记型计算机用的背光源亮度则需要1,800~2,000mcd 。白光LED 与CCFL 背光源技术比较如表三。
表三、白光LED 与CCFL 背光源技术之比较
另外随着节能减碳的新环保趋势要求，传统以热固性透明环氧树脂为封装材料的注模成型制程，因需要6 小时以上的硬化加工流程，对于能源与生产效率造成极大冲击，因此开发一种利用热塑性透明树脂，经快速射出成型制程而达到节能快速封装要求的技术，成为未来在LED 模块组件重要的发展议题。在本文中将针对现有LED 的封装制程，以及新型射出成型制程与材料的发展与课题作探讨与介绍。
LED 组件的封装制程与材料
目前在使用量上最普遍的环氧树脂因透明无色、杂质低且具有优良机械性、绝缘性、耐腐蚀性、接着性和低收缩等特性而被普遍使用，其基本组成物种类有双酚A 系环氧树脂（如DGEBA）和脂环族环氧树脂搭配脂肪族酸酐硬化剂（MHHPA 或HHPA 等），结构如图一所示。
图一、LED 用透明封装材料常用组成物
传统LED 制程的流程如图二所示：传统的LED 封装结构，一般是用胶或银胶将LED 芯片黏贴在导线架的反射杯中或SMD基座上，再由金或铝线焊线机完成LED 组件的内外连接正负极后，用环氧树脂封装而成。环氧树脂在封装制程上需在150~180°C烘烤超过6 小时，以达到其最佳物性，但也造成生产效率低下与能源的耗损。
图二、炮弹型(Lamp Type) LED 封装流程图
新型射出成型透明封装材料技术
目前LED 的封装制程种类大致可区分成1.使用固态模封材料之移转注模成型制程；2.使用液态封止材料之封止制程，如图三所示。移转注模成型制程包括有固态模封胶饼与移转模具成型机等，圆柱型透明胶饼经由Plunger 进入模具中被加热后，经由Runner 与Gate 注入已放有打完导线之芯片导线架的Cavity 中完成模封程序。
图三、LED 封装制程
另外一种型式即是使用液状透明封止材料之封止(Encapsulation) 制程，此种封止制程所使用之液状封装材料虽然对芯片的最终功能与模封材料并没有多大差异，但在加工过程却全然不同。在薄型与大面积模块制程中固态模封材料必须具备更高的细间隙流动性与更低应力残余，才能避免内部气孔残留及模块翘曲。同时因芯片表层封装材厚度降低，在抗吸湿及覆盖性上要比以往更提升。模封材料不同液状封止材料为一种在常温呈现液体可流动状态之材料，液状封止材料其加工制程可使用点胶机或灌注方式进行。此两种方式所使用材料皆为热固性环氧树脂，在硬化时程上都需要很长的时间，若能使用热塑性材料以射出成型方式进行（如图三所示），则可省略长时间的硬化，同时热塑性材料在回收利用上亦较热固性材容易，可符合环保回收的法规要求，但是此种制程的开发除了设备以外，材料更是重大的挑战。
满足LED 射出型封装制程的热塑性材料最大要求为透明性，其次为高温流动性，目前市面上主要的射出型透明树脂，依高分子结构的差异而显现不同的光学特性、耐热性与耐化性。一般要求在550nm 波长下其光学穿透度(Light Transmittance)≧90% ，其次是塑料基板本身的耐热性与尺寸安定性，将影响LED 组件后段制程中温度操作的限制如无铅回焊制程等。得知PET 具有良好的光学穿透度与低的CTE 且价格又便宜，日本JSR 与Zeon两家公司主推的mCOC 光学级塑料基板材料，其商品名则分别为Arton 及Zeonor ，均有极高的光学穿透度，而PAr 及PES 透明塑料材料其玻璃转移温度(Glass Transition Temperature; Tg)虽然高于200°C 但加工流动性必须加以考虑，除了表中的材料外，PMMA 树脂具有高透明性亦是可能选项之一，但其Tg 低于100°C 在回焊制程会面临挑战。
LED 射出成型封装制程除了材料外必须考虑设备的搭配，为了能完成良好的封装组件，新型射出模具的设计与制作是非常重要的课题，同时为了避免射出时因材料黏度过大而造成冲线问题，流道与注入口的设计都必须配合不同材料的流变特性加以考虑与设计，而模温、射温及背压等参数的探讨与设计，都是整个制程开发不可或缺的部份，因LED 组件本身耐热温度不高，因此在模温的温度设计及在模仁内的成型时间都不能太久，利用新开发的LED 射出型封装制程可以将封装制程时间缩短至10 秒以内，与传统注模成型相比，具有优异生产效率与节能效果。虽然射出型封装制程可以有效提高生产效率并达到节能效果，但随着全球无铅化环保趋势要求， LED 焊锡温度也一跃而至260°C ，对发光组件用射出型封装材料将会是此一制程技术最大挑战。
随着环保议题不断地发酵与扩大，具节能概念的LED 背光模块成为未来面板背光源重要的一环，而在LED 背光模块中LED 组件的封装制程若能改用更环保节能的材料与技术，将可更有效加速LED 背光模块的低成本化与普遍化，利用射出型封装制程与热塑性材料，不但可以有效提高生产效率并达到节能效果，在未来将是LED 封装制程重要的发展趋势。
对于LCD背光模块用环保型LED封装制程与材料技术之研究有兴趣者，欢迎mail至[/url][url=mailto:materialsnet@itri.org.tw]materialsnet@itri.org.tw
作者：李宗铭 / 工研院材化所 |
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