毫無(wú)疑問(wèn)的，這個(gè)世界需求高亮度發(fā)光二極管（High Brightness Light-Emitting?Diode；HB?LED），不只是高亮度的白光LED（HB WLED），也包括高亮度的各色LED，且從如今起的將來(lái)更是積極努力與需求超高亮度的LED（Ultra High Brightness LED，簡(jiǎn)稱：UHD LED）。
用LED背光取代手持安裝原有的EL背光、CCFL背光，不只電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)約容易，且有較高的外力抗受性。用LED背光取代液晶電視原有的CCFL背光，不只更環(huán)保而且顯現(xiàn)更逼真亮麗。用LED照明取代白光燈、鹵素?zé)舻日彰?，不只更光亮省電，運(yùn)用也更長(zhǎng)效，且點(diǎn)亮反響更快，用于煞車(chē)燈時(shí)能減少后車(chē)追撞率。
所以，LED從過(guò)去只能用在電子安裝的狀態(tài)指示燈，進(jìn)步到成為液晶顯現(xiàn)的背光，再擴(kuò)展到電子照明及公眾顯現(xiàn)，如車(chē)用燈、交通號(hào)志燈、看板訊息跑馬燈、大型影視墻，以至是投影機(jī)內(nèi)的照明等，其應(yīng)用仍在持續(xù)延伸。
更重要的是，LED的亮度效率就好像摩爾定律（Moore‘’s Law）一樣，每24個(gè)月提升一倍，過(guò)去以為白光LED只能用來(lái)取代過(guò)于耗電的白熾燈、鹵素?zé)?，即發(fā)光效率在10～30lm/W內(nèi)的層次，但是在白光LED打破60lm/W以至達(dá)100lm/W后，就連熒光燈、高壓氣體放電燈等也開(kāi)端感遭到要挾。
固然LED持續(xù)加強(qiáng)亮度及發(fā)光效率，但除了最中心的熒光質(zhì)、混光等專利技術(shù)外，對(duì)封裝來(lái)說(shuō)也將是愈來(lái)愈大的應(yīng)戰(zhàn)，且是雙重難題的應(yīng)戰(zhàn)，一方面封裝必需讓LED有最大的取光率、最高的光通量，使光折損降至最低，同時(shí)還要注重光的發(fā)散角度、光均性、與導(dǎo)光板的搭配性。
另一方面，封裝必需讓LED有最佳的散熱性，特別是HB（高亮度）簡(jiǎn)直意味著HP（High Power，高功率、高用電），進(jìn)出LED的電流值持續(xù)在增大，假使不能良善散熱，則不只會(huì)使LED的亮度削弱，還會(huì)縮短LED的運(yùn)用壽命。
所以，持續(xù)追求高亮度的LED，其運(yùn)用的封裝技術(shù)若沒(méi)有對(duì)應(yīng)的強(qiáng)化提升，那么高亮度表現(xiàn)也會(huì)因而打折，因而本文將針對(duì)HB LED的封裝技術(shù)停止更多討論，包括光通方面的討論，也包括熱導(dǎo)方面的討論。
附注：大陸方面稱為「發(fā)光二極管」。
附注：普通而言，HB LED多指8lm/W（每瓦8流明）以上的發(fā)光效率。
附注：普通而言，HP LED多指用電1W（瓦）以上，功耗瓦數(shù)以順導(dǎo)游通電壓乘以順導(dǎo)游通電流（Vf×If，f＝forward）求得。
■裸晶層：「量子井、多量子井」提升「光轉(zhuǎn)效率」
固然本文主要在議論LED封裝對(duì)光通量的強(qiáng)化，但在此也不得不先闡明更深層中心的裸晶局部，畢竟裸晶構(gòu)造的改善也能使光通量大幅提升。
首先是強(qiáng)化光轉(zhuǎn)效率，這也是最本源之道，現(xiàn)有LED的每瓦用電中，僅有15％～20％被轉(zhuǎn)化成光能，其他都被轉(zhuǎn)化成熱能并消散掉（廢熱），而提升此一轉(zhuǎn)換效率的重點(diǎn)就在p-n接面（p-n juncTIon）上，p-n接面是LED主要的發(fā)光發(fā)熱位置，透過(guò)p-n接面的構(gòu)造設(shè)計(jì)改動(dòng)可提升轉(zhuǎn)化效率。
關(guān)于此，目前多是在p-n接面上開(kāi)鑿量子井（Quantum Well；QW），以此來(lái)提升用電轉(zhuǎn)換成光能的比例，更進(jìn)一步的也將朝更多的開(kāi)鑿數(shù)來(lái)努力，即是多量子井（MulTIple Quantum Well；MQW）技術(shù)。
■裸晶層：「換料改構(gòu)、光透光折」拉高「出光效率」
假如光轉(zhuǎn)效率難再請(qǐng)求，進(jìn)一步的就必需從出光效率的層面下手，此層面的作法相當(dāng)多，根據(jù)不同的化合資料也有不同，目前HB LED較常運(yùn)用的兩種化合資料是AlGaInP及GaN/InGaN，前者用來(lái)產(chǎn)生高亮度的橘紅、橙、黃、綠光，后者GaN用來(lái)產(chǎn)生綠、翠綠、藍(lán)光，以及用InGaN產(chǎn)生近紫外線、藍(lán)綠、藍(lán)光。
至于作法有哪些？這包括改動(dòng)實(shí)體幾何構(gòu)造（橫向轉(zhuǎn)成垂直）、換用基板（substrate，也稱：襯底）的資料、參加新的資料層、改動(dòng)資料層的接合方式、不同的資料外表處置等。不過(guò)，無(wú)論如何變化，大致都不脫兩個(gè)要?jiǎng)t：一、降低遮蓋、增加光透率。二、強(qiáng)化光折射、反射的應(yīng)用率。
舉例來(lái)說(shuō)，過(guò)去AlGaInP的LED，其基板所用的資料為GaAs，然黑色外表的GaAs使p-n接面分發(fā)出的光有一半被遮擋吸收，形成光能的糜費(fèi)，因而改用透明的GaP資料來(lái)做基板。又如日本日亞化學(xué)工業(yè)（Nichia）在GaN的LED中，將p型電極（p type）局部做成網(wǎng)紋狀（Mesh Pattern），以此來(lái)增加p極的透明度，減少光障礙同時(shí)提升光透量。
至于增加折反射上，在AlGaInP的構(gòu)造中增加一層DBR（Distributed Bragg Reflector）反射層，將另一邊的光源折向同一邊。GaN方面則將基板資料換成藍(lán)寶石（Sapphire，Al2O3，三氧化二鋁）來(lái)增加反射，同時(shí)將基板外表設(shè)計(jì)成凹凸紋狀，藉此增加光反射后的散射角度，進(jìn)而使取光率提升。或如德國(guó)歐司朗（OSRAM）運(yùn)用SiC資料的基板，并將基板設(shè)計(jì)成斜面，也有助于增加反射，或參加銀質(zhì)、鋁質(zhì)的金屬鏡射層。
▲亮度提升的LED曾經(jīng)跨足到公眾場(chǎng)所的號(hào)志應(yīng)用，此為國(guó)內(nèi)工地外圍的交通方向指示燈，即是用HB LED所組構(gòu)成。（郭長(zhǎng)佑攝影）
附注：AlGaInP（磷化鋁鎵銦）也稱為「四元發(fā)光資料」，即是以Al、Ga、In、P四種元素化合而成。
附注：在普通的圖形構(gòu)造講解時(shí)，p-n接面也稱為「發(fā)光層，emitTIng layer或acTIve layer、active region」。
附注：除了減少光遮、增加反射外，有時(shí)換用不同技術(shù)的意圖是在于躲避其它業(yè)者已申請(qǐng)的專利。
▲各種AlGaInP LED的發(fā)光效能強(qiáng)化法，由左至右為技術(shù)先進(jìn)度的差異，最左為最根底規(guī)范的LED幾何構(gòu)造，接著開(kāi)端參加DBR（Distributed Bragg Reflector）反射層，再來(lái)是有DBR后再參加電流局限（Current Blocking）技術(shù)，而最右為晶元光電的OMA（Omni-directional Mirror Adherence）全方位鏡面接合技術(shù)，該技術(shù)也將基板材質(zhì)從GaAs換成Si。（圖片來(lái)源：晶元光電）
▲對(duì)GaN、InGaN化合資料的LED而言，也有其自有的一套制程構(gòu)造光通強(qiáng)化法，以德國(guó)OSRAM來(lái)說(shuō)，1999年還在運(yùn)用規(guī)范構(gòu)造，2002年就停頓到ATON構(gòu)造，2003年換成更佳的NOTA構(gòu)造，2005年則是ThinGaN構(gòu)造。（圖片來(lái)源：晶元光電）
■封裝層：抗老化黃光、透光率捍衛(wèi)戰(zhàn)
從裸晶層面努力增加光亮后，接著就正式從封裝層面接手，務(wù)使光通維持最高、光衰減至最少。
要有高的流明堅(jiān)持率（Transmittance，透光率、穿透率，以百分比單位表示），第一步是封裝材質(zhì)，過(guò)去LED最常用的是環(huán)氧樹(shù)脂（epoxy），不過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂老化后會(huì)逐步變黃（因「苯環(huán)」成份），進(jìn)而影響光亮顏色，特別波長(zhǎng)愈低時(shí)老化愈快，特別是局部WLED運(yùn)用近紫外線（Near ultraviolet）發(fā)光，與其它可見(jiàn)光相比其波長(zhǎng)又更低，老化更快。
新的提案是用硅樹(shù)脂（silicone）換替環(huán)氧樹(shù)脂，例如美國(guó)Lumileds公司的Luxeon系列LED即是改采硅封膠。
運(yùn)用硅膠的不只是Lumileds Luxeon，其它業(yè)者也都有硅膠計(jì)劃，如通用電氣．東芝（GE Toshiba）公司的InvisiSi1，東麗．道康寧（Dow Coring Toray）的SR 7010等也都是LED的硅膠封裝計(jì)劃。
硅膠除了對(duì)低波長(zhǎng)有較佳的抗受性、較不易老化外，硅膠阻隔近紫外線使其不外泄也是對(duì)人體安康的一種維護(hù)，此外硅膠的光透率、折射率、耐熱性都很理想，GE Toshiba的InvisiSi1具有高達(dá)1.5～1.53的折射率，波長(zhǎng)范疇在350nm～800nm間的光透率達(dá)95％，且波長(zhǎng)低至300nm時(shí)仍有75％～80％的光透，或者與折射率停止取舍，將折射率降至1.41，如此即使是300nm波長(zhǎng)也能維持95％的光透性。同樣的，Dow Coring Toray的SR 7010在405nm波長(zhǎng)以上光陰透率達(dá)99％，且硬化處置后折射率亦有1.51，另外耐熱上也都能達(dá)180℃～200℃的水準(zhǔn)，關(guān)于熱的問(wèn)題我們?cè)诖藭翰挥懻摗?/p>
此外，也有業(yè)者提出所謂的無(wú)樹(shù)脂封裝，即是用玻璃來(lái)作為外套維護(hù)，或如日本京瓷（Kyocera）提出的陶瓷封裝，都是為了抗老化而提出，其中陶瓷也有較佳的耐熱效果。
▲Lumileds Lighting公司的Luxeon系列LED（InGaN）的橫切面圖，從圖中可知Luxeon用硅封裝停止裸晶防護(hù)，而非傳統(tǒng)的環(huán)氧樹(shù)脂。（圖片來(lái)源：Lumileds.com）
▲隨著運(yùn)用時(shí)間的增長(zhǎng)，LED的光通量也會(huì)逐步降低，圖中是兩個(gè)LED的壽命光通量曲線比擬，下方藍(lán)色線為普通5mm的WLED指示燈，上方紅色線則是高功率LED照明燈。（圖片來(lái)源：Lumileds.com）
附注：另一個(gè)加速環(huán)氧樹(shù)脂老化變黃的要素來(lái)自溫度，高溫會(huì)加速老化。
■封裝層：透鏡的透射 反射杯的反射、折射
前述的封裝主要在于維護(hù)LED裸晶，并在維護(hù)之余盡可能讓光熱忠實(shí)向外傳送，接下來(lái)還是在封裝層面，不過(guò)不再是內(nèi)覆的Resin局部，而是外蓋的Lens局部。
在用膠封裝完后，根據(jù)LED的不同用處會(huì)有各種不同的繼續(xù)作法，例如做成一個(gè)一個(gè)的獨(dú)立封裝組件，過(guò)去最典型的單顆LED指示燈即是如此，另一種則是將多個(gè)LED并成一個(gè)整體性組件，如七段顯現(xiàn)器、點(diǎn)陣型顯現(xiàn)器等。此外焊接腳位方面也有兩種辨別，即穿孔技術(shù)（Through-Hole Technology；THT）及外表黏著技術(shù)（Surface-Mount Technology；SMT）。
在此暫且不議論群集性的七段顯現(xiàn)器、點(diǎn)陣型顯現(xiàn)器，而就逐一獨(dú)立、別離、離散性的封裝來(lái)說(shuō)，也要因應(yīng)不同的應(yīng)用而有不同的封裝外觀，若是與過(guò)往LED相同是做為穿孔性焊接的狀態(tài)指示燈則只需采行燈泡（Lamp）型態(tài)的封裝（今日也多俗稱成「炮彈型」），即使肯定是此型也還有透鏡型態(tài)（Lens Type）的區(qū)別，如典型Lamp、卵橢圓Oval、超卵橢圓Super Oval、平直Flat等。而若是外表黏著型，也有頂視Top View、邊視Side View、圓頂Dome等。
為何要有各種不同的透鏡外型？其實(shí)也有各自的應(yīng)用需求，就普通而言，Lamp用來(lái)做指示燈號(hào)、Oval用于戶外標(biāo)示或號(hào)志、Top View用來(lái)做直落式的背光、Flat與Side View配合導(dǎo)光板（Guide Plate：LGP）做側(cè)邊入光式的背光、Dome做為小型照明燈泡、小型閃光燈等。
外型不同、應(yīng)用不同，發(fā)光的可視角度（View Angle）也就不同，此局部也就再次考驗(yàn)封裝設(shè)計(jì)，運(yùn)用不同的設(shè)計(jì)方式，能夠取得不同的發(fā)光角度、光強(qiáng)度、光通量，此方面常見(jiàn)的作法有四：中軸透鏡Axial lens、平直透鏡Flat lens、反射杯Reflective cup、島塊反射杯Reflective cup by island。
普通的Lamp用的即是中軸透鏡法，Dome及Oval/Super Oval等也相似，但Oval/Super Oval的光亮比Lamp更集中在軸向的小角度內(nèi)。而Flat則是用平直透鏡法，益處是光視角比中軸透鏡法更大，但缺陷是光通量降低、光強(qiáng)度削弱。至于Top View、Side View等則多用反射杯或島塊反射杯，此作法是在封裝內(nèi)參加反射鏡，對(duì)局部發(fā)散角度的光束停止反射、折射等收斂動(dòng)作，使角度與光強(qiáng)度能獲得均衡。
▲日亞化學(xué)工業(yè)（Nichia）的5mm白光LED，圖中可見(jiàn)炮彈（Lamp）型封裝內(nèi)部也運(yùn)用碗狀的反射杯（Reflective cup）設(shè)計(jì)來(lái)強(qiáng)化光照角度及強(qiáng)度。（圖片來(lái)源：Ledstyles.de）
就技術(shù)難易來(lái)說(shuō)，只用上透鏡的Axial lens、Flat lens的確較為簡(jiǎn)易，只需思索透射與光束發(fā)散性，相對(duì)的有Reflective cup就不同了，原有的透射、發(fā)散一樣要思索，還要追加思索反射、折射以及光束收斂，的確愈加復(fù)雜。
還有，我們還沒(méi)討論材質(zhì)，透鏡局部除了可持續(xù)用原有的覆膠材質(zhì)外也能夠改用其它材質(zhì)，由于透鏡已較為考究光透而較不考究裸晶防護(hù)，如此還可采行塑料（Plastic）、壓克力（Acrylic）、玻璃（Glass）、聚碳酸酯（Polycarbonate）等，且如之前所述，光透性與波長(zhǎng)有關(guān)，不同波長(zhǎng)光透度不同，再加上有不同的材質(zhì)可選擇，以至要為透鏡上色，好增加光色的比照度，或視應(yīng)用場(chǎng)所的裝飾效果（玩具、耶誕樹(shù)），還有前面的透鏡、反射杯等幾何設(shè)計(jì)等，以上種種構(gòu)成了LED光通上的第四道課題。
附注：今日有的LED也在Lamp型封裝內(nèi)運(yùn)用反射杯技術(shù)。
■結(jié)尾
最后，HB LED被人強(qiáng)調(diào)為「綠色照明」，言下之意「環(huán)?！故瞧浜艽蟮脑V求點(diǎn)，所以不只要無(wú)鉛（Pb Free）封裝，還要符合今日歐洲RoHS（Restriction of Hazardous Substances Directive，限用危害物質(zhì)指令）的法令標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)論封裝與LED整體都不能含有汞、鎘、六價(jià)鉻（hexavalent chromium）、多溴聯(lián)苯（PolyBrominated Biphenyls；PBB）、多溴聯(lián)苯醚（PolyBrominated?Diphenyl Ether；PBDE）等環(huán)境有害物，此外WEEE（Waste Electrical and Electronic Equipment directive，廢棄電子電機(jī)設(shè)備指令）等其它相關(guān)法規(guī)也必需恪守。
