發光二極體(Light Emitting Diode; LED)的發光原理是將電能轉化成光能，經由材料之變化， LED 可發出不同波長的光，涵蓋範圍從短波長之UV 光、一般波長之可見光（紅、藍、綠）到長波長之紅外光。其屬於冷性發光，具有節能（省電）、體積小、壽命長（10 萬小時）、反應速度快（1000 秒）、污染低、高可靠度、模組彈性大等眾多優點，因此應用範疇非常廣泛。可見光LED 產品分布從低亮度的指示光源、室內顯示，到目前高亮度需求之大型看板、交通號誌、背光源模組、照明設備等都有其蹤跡，未來更朝向以高亮度白光為照明光源目標前進，根據PIDA 預測顯示， 2010 年白光LED 發光效率可以達到120 lm/W，在韓國方面也有幾乎同步的發展藍圖；根據工研院產經中心(IEK)調查顯示，至2008 年全球高亮度LED 產值將超過50 億美元。
特別是TFT LCD 朝大尺寸電視應用發展時，由於液晶顯示器(LCD)本身不具發光特性，必須依賴背光源來達到顯示的功能。背光源的亮度、效率、壽命長短、演色性高低，直接影響到LCD 特性表現，為滿足電視符合遠距離觀賞的需求，背光模組將朝500 nits 以上高亮度開發。由於液晶為非自發光材料，因此必須另外提供光源， 20吋以下產品採用側光源設計，再以導光板、增亮膜、擴散膜及反射膜等來提高光的均勻性及發光效率，使用的燈管數為2~8 支，LCD TV 對亮度及廣視角特性要求較高，因此直下式光源成為大型Monitor 與電視的主流，高亮度LED 背光模組將成為發展重點。
目前幾乎所有的LCD 都採用冷陰極燈管(Cold Cathode Fluorescent Lamp; CCFL)為背光源。但CCFL 存有演色性偏低及含汞問題，因此相關廠商積極地尋求CCFL 的替代解決方案，例如FFL (Flat Fluorescent Lamp)、EL (Electro Luminescent Lamp)、LED (LightEmitting Diode)、EEFL (External Electrode Fluorescent Lamp)等。美商Lumileds 於2003年SID 展中推出使用LED 作為背光源的液晶電視(LCD TV)展示品，開啟LED 於LCDTV背光源應用可能性。其後包括Philips 、SONY 、三菱等廠商都在展覽場上展示出相關產品， 2004 年底， SONY 銷售使用LED作為背光源的LCD TV「Qualia」， LED 於大尺寸面板背光源的應用達到商品化，讓LED在CCFL 替代技術競爭中，取得明顯領先地位。中小尺寸的面板開始逐步採用LED 作為背光光源。目前主要的應用在手機面板所需之背光源亮度為1,500~1,600 mcd ，高階筆記型電腦用的背光源亮度則需要1,800~2,000mcd 。白光LED 與CCFL 背光源技術比較如表三。
表三、白光LED 與CCFL 背光源技術之比較
另外隨著節能減碳的新環保趨勢要求，傳統以熱固性透明環氧樹脂為封裝材料的注模成型製程，因需要6 小時以上的硬化加工流程，對於能源與生產效率造成極大衝擊，因此開發一種利用熱塑性透明樹脂，經快速射出成型製程而達到節能快速封裝要求的技術，成為未來在LED 模組元件重要的發展議題。在本文中將針對現有LED 的封裝製程，以及新型射出成型製程與材料的發展與課題作探討與介紹。
LED 元件的封裝製程與材料
目前在使用量上最普遍的環氧樹脂因透明無色、雜質低且具有優良機械性、絕緣性、耐腐蝕性、接著性和低收縮等特性而被普遍使用，其基本組成物種類有雙酚A 系環氧樹脂（如DGEBA）和脂環族環氧樹脂搭配脂肪族酸酐硬化劑（MHHPA 或HHPA 等），結構如圖一所示。
圖一、LED 用透明封裝材料常用組成物
傳統LED 製程的流程如圖二所示：傳統的LED 封裝結構，一般是用膠或銀膠將LED 晶片黏貼在導線架的反射杯中或SMD基座上，再由金或鋁線焊線機完成LED 元件的內外連接正負極後，用環氧樹脂封裝而成。環氧樹脂在封裝製程上需在150~180°C烘烤超過6 小時，以達到其最佳物性，但也造成生產效率低下與能源的耗損。
圖二、砲彈型(Lamp Type) LED 封裝流程圖
新型射出成型透明封裝材料技術
目前LED 的封裝製程種類大致可區分成1.使用固態模封材料之移轉注模成型製程；2.使用液態封止材料之封止製程，如圖三所示。移轉注模成型製程包括有固態模封膠餅與移轉模具成型機等，圓柱型透明膠餅經由Plunger 進入模具中被加熱後，經由Runner 與Gate 注入已放有打完導線之晶片導線架的Cavity 中完成模封程序。
圖三、LED 封裝製程
另外一種型式即是使用液狀透明封止材料之封止(Encapsulation) 製程，此種封止製程所使用之液狀封裝材料雖然對晶片的最終功能與模封材料並沒有多大差異，但在加工過程卻全然不同。在薄型與大面積模組製程中固態模封材料必須具備更高的細間隙流動性與更低應力殘餘，才能避免內部氣孔殘留及模組翹曲。同時因晶片表層封裝材厚度降低，在抗吸濕及覆蓋性上要比以往更提升。模封材料不同液狀封止材料為一種在常溫呈現液體可流動狀態之材料，液狀封止材料其加工製程可使用點膠機或灌注方式進行。此兩種方式所使用材料皆為熱固性環氧樹脂，在硬化時程上都需要很長的時間，若能使用熱塑性材料以射出成型方式進行（如圖三所示），則可省略長時間的硬化，同時熱塑性材料在回收利用上亦較熱固性材容易，可符合環保回收的法規要求，但是此種製程的開發除了設備以外，材料更是重大的挑戰。
滿足LED 射出型封裝製程的熱塑性材料最大要求為透明性，其次為高溫流動性，目前市面上主要的射出型透明樹脂，依高分子結構的差異而顯現不同的光學特性、耐熱性與耐化性。一般要求在550nm 波長下其光學穿透度(Light Transmittance)≧90% ，其次是塑膠基板本身的耐熱性與尺寸安定性，將影響LED 元件後段製程中溫度操作的限制如無鉛回焊製程等。得知PET 具有良好的光學穿透度與低的CTE 且價格又便宜，日本JSR 與Zeon兩家公司主推的mCOC 光學級塑膠基板材料，其商品名則分別為Arton 及Zeonor ，均有極高的光學穿透度，而PAr 及PES 透明塑膠材料其玻璃轉移溫度(Glass Transition Temperature; Tg)雖然高於200°C 但加工流動性必須加以考量，除了表中的材料外，PMMA 樹脂具有高透明性亦是可能選項之一，但其Tg 低於100°C 在迴焊製程會面臨挑戰。
LED 射出成型封裝製程除了材料外必須考量設備的搭配，為了能完成良好的封裝元件，新型射出模具的設計與製作是非常重要的課題，同時為了避免射出時因材料黏度過大而造成衝線問題，流道與注入口的設計都必須配合不同材料的流變特性加以考量與設計，而模溫、射溫及背壓等參數的探討與設計，都是整個製程開發不可或缺的部份，因LED 元件本身耐熱溫度不高，因此在模溫的溫度設計及在模仁內的成型時間都不能太久，利用新開發的LED 射出型封裝製程可以將封裝製程時間縮短至10 秒以內，與傳統注模成型相比，具有優異生產效率與節能效果。雖然射出型封裝製程可以有效提高生產效率並達到節能效果，但隨著全球無鉛化環保趨勢要求， LED 銲錫溫度也一躍而至260°C ，對發光元件用射出型封裝材料將會是此一製程技術最大挑戰。
隨著環保議題不斷地發酵與擴大，具節能概念的LED 背光模組成為未來面板背光源重要的一環，而在LED 背光模組中LED 元件的封裝製程若能改用更環保節能的材料與技術，將可更有效加速LED 背光模組的低成本化與普遍化，利用射出型封裝製程與熱塑性材料，不但可以有效提高生產效率並達到節能效果，在未來將是LED 封裝製程重要的發展趨勢。
對於LCD背光模組用環保型LED封裝製程與材料技術之研究有興趣者，歡迎mail至materialsnet@itri.org.tw
作者：李宗銘 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌260期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7104