林佳民 / 工研院材化所
發光二極體(LED)在1960年代就已經被發明出來，但因為只能發出單色光且亮度較低，僅能作為指示光源或簡單的顯示器應用；直到1990年代，日亞化學開發出高亮度藍光LED後，可以發出白光的LED也隨之面世，出現了這麼一個新型的白色光源，讓LED的應用範圍一下子擴大了許多，包括照明應用、LCD背光、車用光源等；近年來更隨著LED晶片的微小化，有Mini-LED甚至Micro-LED技術的出現。筆者從事LED封裝材料開發近20年的時間，藉由本文章，簡單回顧LED膠材系統與特性的發展歷程，並且對於目前Mini-/Micro-LED所使用的封裝製程技術作一描述，提供相關材料開發者作為參考。
【內文精選】
LED封裝材料樹脂系統
1. 環氧樹脂系統
有開發過LED膠材的人員都知道，LED Lamp膠材的固化條件都會分成兩段，第一段的溫度大概在110˚C~120˚C之間，時間大概是40~60分鐘。會是這樣的設定，主要原因在於Lamp LED封裝製程是使用模條，把封裝膠材注入模條中，然後再把固晶打線好的金屬支架倒插入膠材中進行固化，但因為模條本身為塑膠材質，耐溫性有限，過高的溫度將導致模具變形或者在脫模過程中導致損傷，影響後續的光學效果，因此會限制此階段的加熱溫度；另外，為提高模具使用率，將時間設定在40~60分鐘內，讓膠材達到必須足夠的固化程度與強度，使之可以從模條中取出，俾模條清潔後進行新一批LED的封裝。而完成初步固化的LED Lamp半成品，則收集一定數量後，再一起放到烘箱中進行後烤(Post-cure)，以達到最終固化，獲得所需之膠材特性。當然，採用分段式加熱固化，同時也有助於脫泡以及減少應力產生之正面效果，但這些條件與膠材本身使用的成分種類、客戶端生產效率需求，甚至是最終的信賴性表現都有密切關聯，也是配方設計者需要深入研究之處。
(2) 高折射率
會有膠材折射率的需求，主要是依據Snell’s定律，當光線從高折射率介質進入低折射率介質時，光線前進的路徑會產生偏折，若入射角度超過一個範圍，光線就會出現全反射的現象無法透出，如圖五所示。若LED晶片折射率為3.4，而空氣的折射率為1，那只要晶片內部所發出光的入射角超過17度，全反射就會發生。若能在晶片與空氣之間加入一層折射率介於兩者的材料，則晶片所發出的光，就可以有更高比例可以透出，藉以提高亮度，例如封裝材料折射率為1.5，則上述的入射角將擴大到26度才會發生全反射。因此如何提高膠材的折射率，在發展的某階段就成了技術開發的重點。
圖五、光線在不同介質間傳遞產生的折射現象
3. Hybrid混成樹脂系統
工研院材料與化工研究所針對Siliconeepoxy樹脂材料，從結構相容性篩選、樹脂合成純化，到LED封裝膠材配方開發與元件封裝驗證及老化測試，已具備完整之經驗，目前更繼續進行配方調整，期望可以滿足mini-LED及micro-LED封裝之應用，相關開發計畫持續與業界合作進行中。
min-LED與micro-LED封裝
關於mini-LED與micro-LED的製程技術，已有許多文章作過說明；而背光用mini-LED為考慮薄型化以及減少LED使用顆數來控制成本，有比較多的考量與設計。
為解決膠材固化前後體積收縮導致的應力翹曲，勢必要進行配方調整，但固態膠餅的製作方式也限制了很多原物料的使用。參考半導體晶圓級封裝(Wafer Level Package; WLP)的技術，使用可以用液態膠材的Compression Molding設備，讓整個配方調整的空間變大，克服了應力翹曲的問題。這其中最大的改變，便是膠材Tg的降低，以往LED封裝膠材Tg基本都在120˚C以上，但是後來開發出的mini-LED Molding膠材，其Tg僅有80˚C上下，方能獲得所需的低應力效果。雖然就理論上而言完全合理，但如此低的Tg，如何能滿足後續的信賴性測試，也是經過多方的驗證後才獲得封裝廠的接受。在此處的應用中，矽膠反而沒有取得優勢，主要在於全彩mini-LED顯示幕多應用於戶外或半戶外場地，對於封裝體所具備的保護要求較高，矽膠本身具有較高的透濕透氧率，密著性較差，加上較低的硬度，會讓後段的切割製程遇到比較多的挑戰，所以環氧樹脂在這個應用上占了優勢。此外，mini-LED與micro-LED因為應用的不同，對於特性要求也不同，導致整個生產製程方式也比較偏向客製化而沒有一套標準程序，所以封裝方式也各有不同，如圖十三所示 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十三、不同mini-LED封裝方式
★本文節錄自《工業材料雜誌》449期，更多資料請見下方附檔。