晶片直接封裝 LED 模組的興起

照明設計人員以往在泛光燈設計中採用 LED 高光效、長壽命、耐用性的優勢時，皆面臨一些重大挑戰。

最大的挑戰就是評估所需的離散 LED 數量以達到產品的「流明密度」（每單位區域的光輸出量），然後設計出滿足此陣列功率和熱需求、且不會佔用燈具內部太多空間的電路板。 接著工程人員需要確認同一組的 LED 都能產生一樣的顏色，符合客戶的預期。

但現在則有更簡單的方案。 LED 製造商針對高功率元件推出新型封裝：晶片直接封裝 (COB) LED 陣列。 為了供應這些產品，LED 製造商將個別 LED 進行配對，並設計合適的基板搭載此「光引擎」。 此外，COB LED 陣列讓 LED 製造商享有「非接觸式螢光粉」等效率增進技術的優勢。

此文章將檢視最新的市售 COB LED 陣列實例，並探討此產業在未來幾年的發展。

離散式 LED 陣列的缺點

儘管 LED 的效能已經大幅提升，單一元件依然沒有辦法為主流照明應用提供足夠輸出。 舉例來說，單一 100 W、120 V 白熾燈泡產生 1,700 lm（光效約為 17 lm/W）。 相較之下，常用的 LED，如 OSRAM 的 OSLON SSL 150 則產生 136 lm（350 mA、3.1 V、125 lm/W）。 照明設計人員需要一打的 OSRAM 裝置才能提供與燈泡相當的輸出。

LED 佔用的實體空間（一般約為數平方公分）也是問題之一。 此外，將 LED 組合成陣列，也會造成發光、光學和生產層面上的難題。

LED 陣列的照明品質難以達到最佳化。 LED 生產商將 LED 以相近的相關色溫 (CCT) 和發光度進行「分檔」，但確實配對各個元件，讓客戶感受不到差異，不僅提高成本且耗時。

大型 LED 陣列的第二的問題是元件老化的速度不一致。 在燈具中，即使多數 LED 還有很長的壽命，但只要有一些已經變暗，消費者就會丟棄產品。 最後一點，將 LED 組裝成陣列不但困難，也很耗費人力，進而提高成本。 （參閱 TechZone 文章《LED 封裝和光效升級能提升流明密度。》）

省去組裝步驟

為了解決 LED 陣列設計和組裝的問題，LED 製造商現在提供 COB LED 陣列型式的模組化解決方案。 此類元件提供陶瓷封裝和高度整合。

採用 COB LED 陣列，照明製造商就無需在印刷電路板 (PCB) 上置放獨立 LED ，也無需動用人力進行此作業。 另一項優勢在於 COB 封裝適合手動組裝，因此能簡化製程， COB 可採用環氧樹脂或機械裝置與散熱片固定在一起，無需許多工程資源。 （參閱 TechZone 文章《提升效能與降低成本的封裝考量。》）

Molex 提供多種 COB LED 陣列固定座，適合下列 Bridgelux 和 Cree 產品（圖 1）。


圖 1：Molex 的 COB LED 陣列固定座適合多家主要 LED 製造商的產品。

COB LED 陣列不僅提供組裝上的優勢，也具有光學上的優點。 這些元件一般採用螢光粉塗層盤面型式的「單發光表面」。 傳統白光 LED 其實是採用藍光 LED，然後用釔鋁石榴石 (YAG) 摻雜稀土元素鈰的螢光粉，針對其發射的光線進行斯托克斯位移。 此 LED 和螢光粉會納入單一封裝中。

但有一些研究人員宣稱，所謂的非接觸式螢光粉元件能提升光效並延長 LED 的壽命（非接觸式螢光粉位於與藍光 LED 有段距離的盤面上，這也是 COB LED 陣列中唯一的發射表面）。 （參閱 TechZone 文章《非接觸式螢光粉是白光 LED 的替代方案。》）

市售 COB LED 陣列

主要的 LED 製造商已經推出一系列市售 COB LED 陣列。 Cree 近期推出的 COB LED 照明陣列，稱為 XLamp CXA 解決方案。 該公司宣稱這是突破性的技術，相較於之前的陣列，能讓聚光燈的系統密度加倍。 該公司表示，是此系列的首款產品 CXA1520 LED，能讓照明製造商打造照度與 39 W 陶瓷金屬鹵素裝置相同的產品，但所需功率最多能降低 50％。

CXA1520 LED 陣列在 33 W（85°C 時）提供高達 3,478 lm。 此產品提供介於 2,700 至 5,000 K 的 CCT，以及 70、80 和 95 的演色性指數 (CRI) 選項。

CXA 陣列具有一致的發光表面，適用於指向性和非指向性應用和泛光燈設計（圖 2）。 此產品提供二和四階顏色一致性與 19 mm 光源。


圖 2：Cree 的 CXA 陣列具有一致的發光表面。

Seoul Semiconductor 不讓其專美於前，推出 ZC 系列。 該公司表示，ZC 系列屬於 COB 元件，且 LED 無需進行表面黏著，因此照明製造商可以省略晶片連接流程，降低單位成本。

Seoul Semiconductor 宣稱採用「高反射性鋁基板」能提升亮度並延長 LED 壽命。 ZC 系列提供 6、10、16 W 選項，該公司表示，分別適合取代 40 和 60 W 的白熾燈以及 100 W 的嵌燈。

ZC 系列提供 2,700 至 5,600 K 的 CCT 和最小 70 或 80 的 CRI，並且可以產生 2400 lm（480 mA 順向電流下）。 與 Cree 產品相似，Seoul Semiconductor 的 ZC 系列也採用直徑 19 mm 的一致發光表面 LED 陣列。

Bridgelux 也加入競爭行列，推出 ES 矩形陣列系列（圖 3）。 該公司表示，這些小型高通量密度光源能提供一致的照明，不會有離散式 LED 架構方案的像素化和多重陰影效應問題。 最新一代的 Luxeon COB LED 陣列提供 700 至 3,000 lm 以及 90 至 130 lm/W 的典型光效。 產品提供 2,700 至 5,700 K 的 CCT 和 70、80 或 90 的 CRI 選項。


圖 3：Bridgelux 的 ES 矩形陣列系列提供 19 mm 型號

該公司宣稱此元件採用直徑 19 mm 的單一發光表面，能降低系統複雜性並達到小型、符合成本效益的燈具和泛光燈設計。 熱阻降低，因此可使用更小的散熱片，或在使用更大的散熱片時提升照明系統的可靠性。

COB 的成長

相較於採用離散式 LED，COB LED 陣列的節省成本優勢在於無需設計搭載用電路板，也不用組裝元件，因此能吸引泛光燈製造商。 此優勢驅使產業大幅成長。

分析公司 Research & Markets 指出，COB LED 市場在 2013 年至 2018 年預估以 40.71% 的年均複合成長率 (CAGR) 成長。 除此之外，該公司認為促進市場成長的一項關鍵因素就是 LED 價格下滑。 主流照明應用是需求增加的主要驅動力。

即使預估的數字有些樂觀，COB LED 陣列產業也極有可能在接下來幾年內大幅成長。 預計在不久的將來就看到更多 LED 製造商推出產品。