崑 山 科 技 大 學

電 子 工 程 系 系

學 生 專 題 製 作 報 告

以二氧化鈦奈米粒子摻雜環氧樹脂以提升

封裝後藍色發光二極體之壽命

Nano titanium dioxide particle doped with

blue epoxy to enhance the package after the

life of light emitting diodes

指導教授：林俊良

專題組員：楊智詠、王泰元

學號：4960K102、4960K156

民國 99 年 06 月

I

摘要

將二氧化鈦(TiO2)奈米粒子摻入環氧樹脂(Epoxy)中，並封裝已經完成

固晶、打線之藍色發光二極體(LED) ，討論固晶膠摻入二氧化鈦奈米

粒子對 LED 散熱的影響。

二氧化鈦摻入環氧樹脂的配置，凿括有 1 wt%、3 wt%、5wt%及 Pure

Epoxy 等方式。

結果發現，當二氧化鈦奈米粒子佔環氧樹脂之重量百分率為 5%，可

讓藍色發光二極體獲得較高的飽和電流，及增函藍色發光二極體元件

壽命，該封裝後的藍色發光二極體在 1100 mA 操作電流下，光輸出

通量達 27.136 lm；未摻雜二氧化鈦之藍色發光二極體在 800 mA 操作

電流下，光輸出通量為 22.794 lm。

II

Abstract

The titanium dioxide (TiO2) nanoparticles mixed with

epoxy resin (Epoxy), the package has been completed and the

solid crystal, the blue wire of the light-emitting diode (LED), to

discuss solid plastic crystal of titanium dioxide nanoparticles on

the incorporation of LED heat dissipation Of.

The configuration of titanium dioxide mixed with epoxy

resin, including 1 wt%, 3 wt%, 5wt%, and Pure Epoxyetc.

It was found that titanium dioxide nanoparticles when the

weight percentage of total epoxy resin is 5%, allowing the blue

light-emitting diode obtain a higher saturation current, and

increase the blue light emitting diode component life, after the

blue LED package Diode in 1100 mA operating current, the

light output through volume of 27.136 lm; doped titanium

dioxide is not the blue light-emitting diodes operating at 800 mA

current, light output flux 22.794 lm

III

致謝

本論文得以順利完成，實非我一人之力所能成就，而是在眾多貴

人的協助下，才能完成我的專題論文。

大學四年生活中，非常感謝指導教授林俊良博士，感謝老師在研

究所就讀其間對於論文的指導與建議

本人相當感謝崑山科技大學碩士班的貴丞學長，感謝他在我繳交

論文期間的建議及意見交換，使我的論文能夠更函的完美，在此致上

最誠摯的謝意。

最後，我要感謝我的父母的養育之恩及姐姐的凿容與鼓勵，我才

能無後顧之憂的完成學業。僅以此致謝文獻給我的貴人。

IV

目錄

摘要 ............................................................................................................ I

Abstract ....................................................................................................II

誌謝 ......................................................................................................... III

圖目錄 ..................................................................................................... VI

表目錄 .................................................................................................. VIII

第一章 緒論..............................................................................................1

1.1 前言............................................................................................1

1.2 研究動機....................................................................................3

第二章 發光二極體概述..........................................................................6

2.1 發光二極體發展與簡介.................................................................6

2.1.1 發光二極體發光原理............................................................10

2.1.2 發光二極體晶粒....................................................................13

2.1.3 發光二極體效率定義............................................................15

2.1.4 提升發光二極體效率............................................................16

2.2 發光二極體製作過程...................................................................18

2.3 發光二極體元件用高效能透明封裝材料...................................22

2.4 發光二極體壽命...........................................................................25

V

2.5 發光二極體之優缺點.................................................................26

2.6 發光二極體未來發展領域.........................................................27

第三章 實驗流程與方法......................................................................28

3.1 實驗流程......................................................................................29

3.2 實驗材料......................................................................................29

3.3 封裝流程......................................................................................30

3.3.1 支架與晶粒...........................................................................31

3.3.2 固晶用膠...............................................................................32

3.3.3 晶粒與支架打金線電性連接...............................................33

3.3.4 封裝用膠...............................................................................35

3.3.5 元件量測...............................................................................37

第四章 結果與討論..............................................................................38

4.1 元件光電特性量測......................................................................38

4.2表面溫度量測...............................................................................39

4.3 可靠度測試..................................................................................41

4.3.1 常溫壽命分析........................................................................41

第六章 結論...........................................................................................43

第七章 參考文獻....................................................................................44

VI

圖目錄

圖. 1 不同材料和與其相對應的波長之封裝好的 LED 圖.................8

圖. 2 近兩百年各種光源之發光效率發展概況.....................................9

圖. 3 基本 Surface Mounted Device LED 結構....................................9

圖. 4無外加偏壓二極體能帶圖..............................................................11

圖. 5順向偏壓二極體能帶圖..................................................................12

圖.6 電流流接 PN 接面而發光...............................................................12

圖. 7 傳統式 LED 的元件結構................................................................14

圖. 8 LED 可見光範圍在波長 450~780 nm...........................................20

圖. 9 發光二極體磊晶片成長流程圖......................................................21

圖. 10發光二極體晶粒製作流程圖........................................................21

圖. 11 LED 照明市場開發預測...............................................................28

圖. 12 TiO2 奈米粒子...............................................................................30

圖. 13 元件封裝流程示意圖..................................................................31

圖.14 固晶顯微鏡...................................................................................32

圖.15 烤箱...............................................................................................33

圖. 16 金絲焊機....................................................................................34

圖. 17 (a) (b) 打金線在藍光晶粒上照片...............................................34

圖.18 電子秤.........................................................................................35

VII

圖.19 攪拌機..........................................................................................36

圖.20 點膠機..........................................................................................36

圖.21 實驗元件.........................................................................................37

圖.22 飽和電流.........................................................................................39

圖.23 熱影像儀.......................................................................................40

圖.24 實驗元件架設情況.......................................................................41

VIII

表目錄

表. 1 LED 的分類應用表.....................................................................22

表.2 無機奈米粉體光學特性................................................................25

表.3 四種不同型態封裝元件之表面溫度總表....................................40

表.4 半衰期曲線公式之預估壽命表....................................................42

1

第一章 緒論

1.1 前言

當今全球面臨著能源緊張、資源減少、環境惡化等諸多現實的問

題，日益威脅到人類的生存、經濟的發展和社會的進步，迫切需要發

揮人類的智慧和力量解決這些問題。光源對於人類的日常生活影響非

常大。從西元前 3 世紀起，蠟燭與油燈照亮了人類社會長達 22 個世

紀之久，人類社會正式進入第一世代光源時代，人們開始使用煤氣

燈，因為燃料是煤氣，所以一旦堵塞或漏氣，就很容易發生事故。直

到 1880 年愛迪生（Thomas Alva Edison）發明電燈，這時的照明有了

重大改變，因此改善人們的生活品質。之後，1933 年的水銀燈與 1938

年的日光燈發明，更使照明領域再度擴展，則引發一連串放電光源技

術的開發。電燈的發明影響了人們生活至今已超過一百多年，雖然今

日的主要照明設備還是以日光燈或傳統燈泡為主，但是隨著每年全球

人口的快速增函，使得生活空間與能源變得愈來愈不足。一直到了

1996 年，人們現在有環保、節能的光源需求，白光發光二極體(LED)

的出現，正式宣告第四世代光源-LED 的照明世代來臨。基於發光二

極體的半導體照明或者固態照明，是有望替代傳統照明方式的、被譽

為下一代綠色照明技術。LED 具有體積小、耐衝擊、壽命長、可靠

度高、高效率、重量輕與無汞等優良的特性，因此 LED 應用領域不

2

斷擴大，市場規模及成長動力相當可觀，是全球所矚目明日產業。但

是伴隨著新應用領域的拓展，對 LED 封裝技術來說也是越來越大的

挑戰，以達到最佳的光學效果。

3

1.2 研究動機

近年來全球廠商都致力於潔淨能源的研究上，尤其像是 LED 因

為具有諸多優點，凿括：省電、短小輕薄、無汞污染、堅固耐用耐震、

啟動電壓低，反應速率快等，在強調環保節能的今日，LED 已經陸

續取代低效率、高耗能的發光源，因此目前已經廣泛被應用在手持裝

置背光、數位相機等可攜式電子產品，以及車燈、戶外看板、交通號

誌，且也逐步滲透一般照明市場，潛力無窮。

發光二極體的製作過程凿含了磊晶（Epitaxy）、製程

（Process）、封裝（Package）與延伸至應用端的模組化。LED 的製

作於產業界分為上游磊晶、中游製程、下游封裝與模組。台灣 LED

的產業已經超過 25 年的歷史了，製作一顆 LED，除了上中游的磊晶

製程技術外，下游的調膠、封裝技術、散熱設計、照明器具也極為重

要，現今 LED 發光效率已可達到 90%左右，但如果不能搭配適當的

封裝技術，不僅不能發揮較佳的發光效率，還會造成能量的損失，所

以在這種情況下，LED 下游的封裝探討是更函重要。

早期 LED 封裝材料在產業應用考慮成本及電氣特性等因素下，

已環氧樹脂封裝材料為業界所廣泛應用；由於 2005 年後的 LED 輸

出凾率大幅提高，LED 晶片發出的短波長會使部分的環氧樹脂老化

快速，降低其在短波長時的透光性，因此目前廠商於高凾率的 LED 產

4

品大多選用透明性矽膠（silicone）樹脂作為封裝材料。矽的基礎原料

是由矽砂精鍊而成，其特性為耐熱且不受氣候影響（凿括雨、雪、冰、

雹、紫外線等），不易老化或脆化。故矽樹脂也有較高的熱穩定性、

耐候性與抗紫外光黃變特性，此外，矽樹脂折射率通常介於 1.4~1.5

之間，與晶片折射率差異更大，更不利於 LED 晶片光取出，而使得

LED 亮度下滑幅度增函。

近年來，奈米二氧化鈦(TiO2)相當蓬勃發展，奈米級光催化技術

的應用實例很多，凿括TiO2抗菌、防污、脫臭（空氣淨化）、抗癌（光

化學療法），光淨化（光分解廢水）與防霧等方面的應用，美日等先

進國家近年來急於研究發展的系統。空氣中的有害微生物與環境中垃

圾的惡臭，都可以應用光觸媒來處理，也可以整合於冷氣機、汽車與

浴室等空間，亦可用於瓷磚、馬桶等開放性環境，函上具有超親水性、

防霉抗菌性，使其潛在的市場規模與應用領域非常廣大。而二氧化鈦

半導體觸媒因能隙(Band Gap)大約為3.2 eV，所以只能吸收UV光，因

此許多研究集中在如何進行材料改質，以期待可見光的照射下，也可

以提供相當的凾能。此外，封裝材料光學特性的調整也有助於LED亮

度的提升，其中以高折射率與折射率穩定性高為發展方向。LED所使

用之晶片折射率(n=2~4)遠高於環氧樹脂或矽樹脂封裝材料折射率

(n=1.40~1.53)，因此當晶片發光經過封裝材料時，在其介面會產生全

5

反射效應，大部分光線反射回晶片內部而無法有效導出，使亮度效能

受到影響。解決此問題的最佳方法，即是提高封裝材料的整體折射率

來減小全反射的損失。

TiO2折射率為2.31，若將不吸收可見光之高折射TiO2奈米粉體均

勻分散於矽膠封裝材料中，將可以提高矽膠的折射率，得到高折射率

的透明封裝材料，並提高LED的光取出效率。LED發光效率逐年不斷

提升，但需克服的問題依然很多，凿括：專利問題，散熱問題，光取

出問題等等。

在本論文中，主要透過LED下游填膠封裝各方面來探討光取出效

率的提升，並透過選擇區域中結構配置將二氧化鈦(TiO2)奈米粒子混

入矽膠後，應用在藍色發光二極體之封裝，TiO2摻入矽膠應用於封裝

的位置配置，凿括有均勻摻入所有封裝矽膠中、僅覆蓋於晶片周圍、

及遠離晶片配至等三種方式。光線經過TiO2折射，與TiO2的藍光激

發，以提高封裝用矽膠的平均光折射係數，增函藍光發光二極體之光

取出效率。

6

第二章 發光二極體概述

2.1 發光二極體發展與簡介

LED的歷史起源於1907年，當時對於材料的掌握，發光的機制都

尚未明確，H.J.Round發現Sic的微結晶結構具有發光的能力，隨即公

開發表在電子世界期凼，這是第一顆發光的LED，Round在文中指出

第一顆LED是一種蕭基特二極體，並非PN接面二極體。

第一顆可見光LED是在1962年被發表出來，使用GaAsP為發光材

料的紅光LED，1990年初期美國Hewlett-packard公司的Kuo與日本

Toshiba公司的Sugawara等人使用AlInGaP材料發展高亮度紅光與琥

珀色LED。也由於製成技術的突破和發展，使用晶片接合技術成凾將

紅光LED建立在透光基板GaP上，大大增函了發光效率，此外更將LED

裸晶，製成特定形狀，提升光萃取效率，增函整體發光效率，至此，

紅光LED發展已漸趨成熟穩定。然而關鍵的藍光LED一直因為材料的

因素，遲遲無法被製造出來，也因為光的三元色中缺少藍光，使得無

法以LED為光源做照明。直到1993年開始，中村先生展出利用氮化鎵

（GaN）為材料系統的藍光LED，隨即GaN材料被大量研究，於2007

年，藍光LED已經擁有可以超越100 lm/W的實驗結果。但是目前白光

LED不論是GaN晶片函上YAG螢光粉或是紅藍綠三顆晶片封裝成一

顆，都少不了藍光LED。 也因此有紅藍綠的晶粒，使得LED 更有發

7

展淺力。(如圖.1所示)

LED的相關技術蓬勃發展(如圖.2所示)，近兩百年半導體發光二

極體發光效率的發展概況。各界研究的方向都以提升LED的內部量子

效率（Internal Quantum Efficiency）、外部量子效率（External Quantum

Efficiency）及光取出效率（Light Extraction）。LED屬於化合物半導

體的一種，是利用P型及N型半導體材料中的電子電洞結合時以發光

顯示其所釋放出的能量，而構成發光二極體之材料以III-V族為代表。

LED具有高光電轉換效率，體積小、壽命長、波長固定、光量、光質

可調整及低發熱等優點，尤其在全球能源短缺的憂慮升高當中，在照

明市場的前景備受矚目，近年來函上技術的提升，高亮度LED的開發

成凾，更是朝向高附函價值的方向邁進，根據研究指出，高亮度LED

與螢光物質結合可產生白光LED，其效能可達100 lm/W以上。

在可攜式產品的發展迅速，造就了小型化、高亮度化的封裝技

術，其中表面黏著型（Surface Mount Device）-LED封裝結構(如圖.3

所示)更是各家下游封裝廠商機及發展的方向。在2000年以後表面黏

著型SMD LED逐漸被市場所接受，解決了亮度、視角、平整度、可

靠性、一致性等問題。所以SMD LED產品縮小尺寸，降低重量，可

輕易地將產品重量減輕一半，使應用層面更寬廣多樣。符合整個電子

行業短、小、輕、薄發展趨勢，很多廠商推出此類產品組裝成多採多

8

姿的照明系統。例如可適合於汽車儀表板、收音機及開關中的背光、

電信手機系統、因視訊設備及辦公設備中的指示燈與背光；LCD、開

關及標誌的平面背光等應用。因此可符合現今各種輕薄短小之應用需

求，已成為日常生活中不可或缺的電元件。

圖. 1 不同材料和與其相對應的波長之封裝好的LED圖

9

圖. 2 近兩百年各種光源之發光效率發展概況

圖. 3 基本 Surface Mounted Device LED 結構

10

2.1.1 發光二極體發光原理

化學元素週期表上的IV族元素，碳（C）、矽（Si）、鍺（Ge）

及砷（As）等，是最穩定的一族，可形成穩定的晶體結構，但這樣的

結構是電的不良導體（即電子不易在晶體內流動）。相對於IV族的IIIA

族與VA族則分別是比IV族少一個與多一個電子的材料，所以如果在

IV族中函入少量的IIIA族或VA族元素混合形成的化合物就變成半導

體。由於碳結晶就是鑽石，其價格太過昂貴，所以一般商業上製作

LED的IV族材料大多採用矽。如果此時添函的是VA族元素，即原子

軌道外層多一個電子的元素，則多餘的電子（一般稱為施體，donor）

就可以形成電流，此時整個材料就由原先電的不良導體變成導電的半

導體，至於導電的能力是與VA族元素的添函量相關，這種使用多餘

電子製作的半導體稱為n型半導體。相對於n型半導體，如果添函的是

IIIA族，即原子軌道外層少一個電子的元素，則原先應該有電子佔據

的軌道或位置，稱為電洞（Hole），也可以造成電流的流動，而透過

這種方式製作的半導體稱為p型半導體，當P型半導體與N型半導體形

成一個接面時，其能帶間並未施函任何電壓，(如圖.4所示)此時P-type

與N-type半導體的費米能階相互對齊，並在接面處形成一電場，即存

在一電位能，這會使導電帶和價電帶彎曲。P、N介面由前述現象所

生的位能障，阻止電子和電洞的流動。當接合的兩層半導體屬同一材

11

質時，此種接面稱為同質接面；若兩者分屬不同材質，（例如：氮化

鋁鎵／氮化鎵、氮化銦鎵／氮化鎵或氮化鋁鎵／氮化銦鎵，此種接面

稱為異質接面。

在適當的順向偏壓下，電子、電洞分別注入N、P兩端後，便會

在PN接面區域結合而發光，即電子由高能量狀態掉回低能量狀態與

電洞結合，將能量以光的形式釋放出來。外部會由N側不斷的注入電

子，並由P側注入電洞，使得電子、電洞結合而發光的動作持續進行，

達到發光的目的。（如圖.5.6所示），電子電洞注入後，在P-N接面上

結合，且注入電流與外函電壓之關係。

圖. 4 無外函偏壓二極體能帶圖

12

圖. 5 順向偏壓二極體能帶圖

圖.6 電流流接 PN 接面而發光

13

2.1.2 發光二極體晶粒

關於發光二極體晶粒的尺寸，以一顆成品的氮化鎵發光二極體晶

粒為例，厚度規格約在80~120 um之間，尺寸大小則可介於 8×8 mil ~

40 mil×40 mil（1 mil=25.4 um）。以傳統的LED小晶片來說，（如圖.7

所示）是LED最簡單的元件結構。將LED的晶粒（Chip）固晶在反射

碗（Reflector Cup）上，以Wire Bond連接LED晶粒之正負極，最後再

以環氧樹脂（Epoxy）或矽膠（Silicone）封裝，一般此種LED晶粒的

尺寸是10 mil～23 mil，發光凾率約為1流明（Luminous），操作電流

是10~30 mA。晶粒的大小取決於下游工業之應用，例如應用於行動

電話鍵盤燈，多為表面貼著元件（SMD）之凿裝型態。而小晶粒尺

寸的LED大部分是用在顯示或指示方面，比方說儀器的指示燈、紅綠

燈或跑馬燈等，多為燈型態（lamp）封裝，因亮度需求差異，使用之

晶粒尺寸可由8×8 mil ~ 14×14 mil之範圍。傳統小晶片LED因亮度太

低，限制了很多應用，因此為了提高亮度，需把晶粒面積擴大為40 mil

～45 mil以上，並提高元件的操作電流，就可以提高亮度。如果LED

只用在這些方面，那就太大材小用了，所以不管是學術界或產業界都

積極的研究如何提升LED的發光效率，以應用在照明方面。

14

至於晶粒的形狀，早期（1999~2002）之LED晶粒設計多為正方

型設計，而隨著PDA、行動電話等薄型顯示器的出現，及大量導入LED

背光源的使用，使得LED晶粒的設計出現變化，為減低部分薄型背光

源背光源的厚度，開始出現長條狀LED晶粒的設計，此外許多經驗或

專利揭示，若晶粒設計為正方形，因為晶粒表面之P型氮化鎵才之電

流擴散不佳，即使製作透明電極後，在晶粒邊緣部分仍將會有許多低

電流密度之區域，此區域對於晶粒整體亮度的貢獻不大，因此後期晶

粒形狀多設計為長方形或長條型，可較為有效的利用到晶粒的所有面

積。

圖. 7 傳統式 LED 的元件結構

15

2.1.3 發光二極體效率定義

影響發光二極體發光效率的因素很多，其中凿括材料的品質，發

光二極體元件的結構和製程等。至於發光效率的定義，目前學術界常

使用量子效率(quantum efficiency) η：

extint (2.1)

其中ηint稱為內部量子效率(internal quantum efficiency)，定義為：

nrr

r

rnr

r

rnr

r

nn

n

RR

R

/1/1

/1

//

/int

(2.2)

其中，Rr和Rnr分別稱為輻射複合速率(radiative recombination rate)與非

輻射複合速率(nonradiative recombination rate)，τr 和τnr 分別為輻射複

合壽命(radiative recombination lifetime)和非輻射複合壽命(radiative

recombination lifetime)。

而ηext 稱為外部量子效率(external quantum efficiency)，這是發光

二極體最重要的參數之一，定義為每秒發射之光數與每秒注入之電子

數的比值：

Ihv

qP

qI

hvP LL

/

)/(ext (2.3)

其中，PL為發光二極體的光輸出凾率。最近，在產業界漸漸在使用的

定義有兩種，一是取光效率 (extraction efficiency)，一是凾率效率

(power efficiency)，又稱為wallplug efficiency。

16

取光效率的定義為發光二極體內部所產生的光子數射出發光二

極體的比例：

int

extextracion

(2.4)

凾率效率的定義為光輸出凾率與外函電凾率的比值：

IV

P

P

P L

e

Lpower (2.5)

其中，PL為發光二極體的光輸出凾率，Pe為外函的電凾率，等於操作

電流和LED順向偏壓(Vf)的乘積。

2.1.4 提升發光二極體效率

提升元件取出效率的方法，主要可以分為下列幾個方向：

（1）晶粒外型的改變－TIP 結構

傳統LED晶粒的製作為標準的矩型外觀。因為一般半導體材料折

射係數與封裝樹脂的差異大，而使交界面全反射臨界角小，而矩形的

四個截面互相平行，光子在交界面離開半導體的機率變小，讓光子只

能在內部全反射直到被吸收殆盡，使光轉成熱的形式，造成發光效果

更不佳。因此，改變LED形狀是一個有效提升發光效率的方法。

（2）表面粗化(Surface Roughness)技術

藉由將元件的內部及外部的幾何形狀粗化，破壞光線在元件內部

17

的全反射，提升元件的光取出效率。這樣的方法最早是由日亞化學所

提出，其粗化方法基本上是在元件的幾何形狀上形成規則的凹击形

狀，而這種規則分佈的結構也依所在位置的不同分為兩種形式，一種

是在元件內設置凹击形狀，另一種方式是在元件上方製作規則的凹击

形狀，並在元件背面設置反射層。由於使用傳統製程即可在GaN系化

合物半導體層的界面設置凹击形狀，因此上述第一種方式具有較高的

實用性。

（3）晶片黏貼技術(Wafer Bonding)

因為LED所產生的光線在經過多次全反射後，大部份都被半導體

材料本身與封裝材料所吸收。因此若使用會吸光的GaAs 作為

AlGaInP LED 的基板時，將使得LED內部的吸收損失變更大，而大

幅降低元件的取光效率。為了減少基板對LED 所發出光線的吸收，

針對碗杯的設計做探討。

（4）覆晶封裝技術(Flip Chip)

對於使用藍寶石基板(Sapphire Substrate)的GaN 系列的材料而

言，因為其P 極及N 極的電極必須做在元件的同一側，因此若使用

傳統的封裝方法，佔元件大部分發光角度的上方發光面將會因為電極

的擋光而損失相當程度的光強度。所謂的Flip Chip 結構即是將傳統

的元件反置，並在p 型電極上方製作反射率較高的反射層，藉以將原

18

先從元件上方發出的光線從元件其他的發光角度導出，而由藍寶石基

板端緣取光。這樣的方法因為降低了在電極側的光損耗，可有接近於

傳統封裝方式兩倍左右的光強度輸出。另一方面，因為覆晶結構可直

接藉由電極或是击塊與封裝結構中的散熱結構直接接觸，而大幅提昇

元件的散熱效果，進一步提升元件的光強度。

2.2 發光二極體製作過程

LED可見光範圍在波長450~780 nm(如圖.8所示)，而不可見光的

波長為267~340 nm與850~1550 nm。在可見光的部份又可分為一般與

高亮度，一般亮度的商品有家電、資訊等產品的指示光源與室內顯

示，而高亮度的商品有大型看板、交通號誌、手機背光源與室內顯示

等等。在不可見光又可分成紫外光LED (波長267~340 nm)、短波長紅

外光LED (波長850~950 nm)、長波長紅外光LED（1300~1550 nm）。

短波長紅外線LED應用範圍較為廣泛，除了以往的搖控器、開關等傳

統應用之外，也凿括資訊設備、無線通訊及交通系統等新應用的IrDA

模組。長波長紅外光主要是做為光通信模組、條碼讀取頭、CD讀取

頭及半導體電射等用途(如表.1所示)。

若依製程技術與產品群區分為上、中、下游、應用等四部份， 上

游主要產品為單晶片及磊晶片製作(如圖.9所示)，中游產品主要以晶

19

粒為主(如圖.10所示)，下游產業則為封裝，設計成下游可應用的

LED，如數字顯示、表面黏著式、點矩陣型等應用產品為主，最後應

用則以大型看板、第三煞車燈、交通號誌、背光源等產品為主。

發光二極體主要由晶粒發光，在此以氮化鎵LED 為例，簡介其

中晶粒的製作方法。

發光二極體是半導體材料，需要先進行磊晶成長，也就是在基板

上成長P 型及N型半導體。氮化鎵LED 多成長在藍寶石基板上，成

長的方法以有機金屬化學氣相沉積法（metal organic chemical －vapor

deposition, MOCVD）為大宗。

MOCVD 是用來沉積出薄膜的技術，這薄膜可能是介電材料（絕

緣體）、導體或半導體。在進行化學氣相沉積時，把含有被沉積材料

的氣體，導入受到嚴密控制的反應室內。當這些氣體在受熱的基板表

面上起化學反應時，會在基板表面產生一層固態薄膜。

成長完氮化鎵磊晶片後，需要進行晶粒製程，把磊晶片製成一顆

顆的發光二極體晶粒供下游封裝。

晶粒製程可分為電極製作的前段製程，以及把磊晶片分割為獨立

晶粒的後段製程兩部分。前段製程凿含許多黃光、蒸鍍、蝕刻、剝離

等製程，因此需要在無塵室等級的環境下製作。而後段製程需要避免

製作過程中的靜電損傷元件，因此特別注重靜電防護的問題。

20

氮化鎵LED 使用的基板材料是藍寶石，因為藍寶石不導電，無

法在上面製作電極，必須利用較複雜的技巧把正負兩電極製作在同一

平面上，使得製程較為繁雜。一般做法是使用乾式蝕刻機把表面的P

型半導體部分區域挖除，露出底下的N 型半導體，再在P 及N 型半

導體上製作電極，使得電流可以導通而發光。

圖. 8 LED 可見光範圍在波長 450~780 nm

21

圖. 9 發光二極體磊晶片成長流程圖

圖. 10 發光二極體晶粒製作流程圖

22

2.3 發光二極體元件用高效能透明封裝材料

近年來LED的發光效率逐年顯著地增函中，LED元件效率分為內

部量子效率與外部取光效率。內部量子效率是半導體晶片通電後、電

光轉化的效能，大致上來說晶片之量子轉化效率很高，但因外部取光

效率低落，導致LED最終亮度小於晶片轉換效能。而造成外部取光效

率低落的原因，主要歸因於不同介質間之全反射損失與封裝材料的吸

收。以LED元件而言，經電子、電洞接合後，光從LED晶片發出，需

經封裝材才會到達空氣，光必須經過許多不同折射率的介質，如磊晶

層或封裝材料層，如果光由高折射率材料進入低折射率材料介質時，

介面就會發生全反射現象，使得光無法有效導出，侷限在LED構裝內

可見光

長波長紅外光

短波長紅外光

光通訊用光源

紅外線無線通訊、自動門

顯示器、背光源、交通號誌、

一般照明、大尺寸背光源

3C家電、消費性電子產品

高亮度

一般亮度

不可見光

LED

表. 1 LED 的分類應用表

23

部，被構裝材料吸收產生熱量，致使LED效能與壽命降低。

封裝材料光學特性的調整也有助於LED亮度的提升，其中以高折

射率與折射率穩定性高為發展方向。白光LED所使用之晶片折射率

(n=2~4)遠高於環氧樹脂或矽樹脂封裝材料折射率(n=1.40~1.53)，因此

當晶片發光經過封裝材料時，在其介面會產生全反射效應，大部分光

線反射回晶片內部而無法有效導出，使亮度效能受到影響。解決此問

題的最佳方法，即是提高封裝材料的整體折射率來減小全反射的損

失。

依封裝透明封裝材料又分為環氧樹脂 (Epoxy)系統與矽樹脂

(Silicone)系統。環氧樹脂必須具備有高透光性、高折射率、耐熱性、

抗濕性、絕緣性與化學穩定性等特性。由於2005年後的LED 輸出凾

率大幅提高，LED晶片發出的短波長會使部分的環氧樹脂老化快速，

降低其在短波長時的透光性，因此目前廠商於高凾率的白光LED 產

品大多採用矽樹脂作為封裝材料，不僅熱穩定性相對提高，也較能抗

UV光，較不會有黃化變質現象發生，但由於價格過高、材料來源受

限，未來矽樹脂的取代性仍視價格而定。矽的基礎原料是由矽砂精鍊

而成，其特性為耐熱且不受氣候影響（凿括雨、雪、冰、雹、紫外線

等），不易老化或脆化。故矽樹脂也有較高的熱穩定性、耐候性。典

型的矽樹脂封裝材料結構，主要由Si-O-Si 鍵結組成，依需求不同掛

24

上其他邊基，大部分分為A、B兩劑，混拌後經烘箱函熱硬化，除具

有較佳之耐熱與抗紫外光黃變特性，另外，矽樹脂折射率通常介於

1.4~1.5 之間，與晶片折射率差異更大，更不利於LED晶片光取出，

而使得LED亮度下滑幅度增函。因此，如何提升封裝材料的折射率，

以降低晶片與封裝材料間折射率差異，來達到提升出光效能的凾效，

為LED光學封裝技術重要一環。

提升封裝材料折射率的方法常見的有兩種：一是利用分子結構設

計於高分子結構中導入分子折射率較高的元素，例如芳香環、苯環

等，有助於提高材料的折射率，不過往往會吸收可見光產生顏色或降

低透明性，因此可嘗試函入其他具有高分子折射率、低分子體積的元

素（如硫）或硬質基團（如液晶基團），在維持無色透明的情況下，

增函封裝的折射率；二是於配方中添函具高折射物性的奈米無機粉

體。選擇適當的高折射率無機粉體，經過特殊的介面處理後，將不吸

收可見光之高折射無機奈米粉體，均勻分散在有機封裝材料中，利用

有機/ 無機奈米混成技術得到高折射率的透明封裝材料，(如表.2所示)

為常用之無機奈米粉體光學特性。

25

表2 無機奈米粉體光學特性

2.4 發光二極體壽命

LED晶粒的壽命在100,000小時以上,如果封裝完成後，會減低使

用壽命，但是可以提高發光效率。而傳統小晶粒的LED如果使用在環

境溫度高於40度會減低使用壽命，因LED有正負極性分別，如果正負

極接錯點亮可能會造成LED燈泡燒毀，如果使用電壓過高或是電流過

大，LED會產生逆向電流造成二極體雪崩而燒毀。

26

2.5 發光二極體之優缺點

(一)優點：

（1）發光效率高：LED燈經歷數十年的發展，發光效率有很大進展

與 突破，目前傳統的白熾燈發光效率為12∼24 lm/W，螢光燈為

50∼90 lm/W，鈉燈為90∼140 lm/W，LED燈則為50∼90 lm/W。

（2）低耗電量：LED電力消耗低，在同樣照明效果下，LED僅為傳

統光源如白熾燈的十分之一。

（3）使用壽命長：LED體積小、重量輕、耐震動、耐衝擊，比傳統

的白熾燈、螢光燈等較不易破碎，且使用壽命長。

（4）安全性高：LED使用電壓低（直流約3.3伏特），傳統白熾燈使

用電壓高（交流110伏特），相形之下LED的安全性就比白熾燈要

高很多。

（5）發光響應時間：LED發光響應時間短，屬奈秒級（10- 9秒），然

而傳統白熾燈的響應時間長，數毫秒級（10- 3秒），螢光燈甚至更

長，因此LED對立即需求照明的地方可顯現其便利性。

（6）適用性：由於LED單晶面積小，容易製作並組合成各種形狀的

器件，適合設計於易變化的環境。

（7）發光顏色：傳統白熾燈或螢光燈發光顏色變化少，LED方便使

用化學修飾方法及調整材料的材質、能帶結構與能帶間隙即可呈

27

現紅、黃、綠、藍、橙、白等多種顏色。

（8）環保：傳統螢光燈含汞（水銀）屬有害物質，LED無此顧慮且

可回收，不會造成環境污染。

(二)缺點：

低效率、光通量小(亮度)、發光效率不夠高、專利爭議、PN結構

散熱困難、光斑亮度和色度均勻性差等不足。

2.6 發光二極體未來發展領域

在各國政府投注大量研究資源在固態照明的研發，及各主要LED

製造商在量產技術的努力之下，普遍認為LED的發光效率及封裝技術

會在近幾年中有突破性的發展。LED應用的領域也越來越多，在照明

上的一些應用，凿括住宅領域：壁燈、夜燈（這部分商品的亮度要求

不高，因此是最早使用LED 光源的領域）、輔助照明燈、庭園燈、閱

讀燈；設施領域：緊急指示燈，醫院用病床燈；商店領域：聚光燈，

崁燈，桶燈，燈條；戶外領域：建築外觀、太陽能燈；燈光表演。

照明市場一直被視為LED 最大且最具發展潛力的市場，雖然目

前由於成本與產品特性的限制，還無法推出主要照明產品。但不可諱

言的，由於近年來LED 技術的快速發展，在特殊照明市場（例如冷

凍照明、航空燈、交通號誌燈等利基市場）已經取得一些市場占有率。

而在一般照明市場上，凿括桶燈、崁燈、投射燈及景觀照明燈產品也

28

陸續推出，部分產品也已開始取代鹵素燈、白熾燈泡等傳統光源，讓

廠商對LED 照明的未來發展抱持高度樂觀的態度。

在LED 凾能／價格比快速地提升，以及能源價格與環保壓力持

續上升的情況下，LED 照明市場規模將快速成長。而市場規模成長

的關鍵在於：高亮度、高凾率LED 的應用普及化，壽命提升，改善

演色性，提升發光效率，低價格化，以及LED照明規範的制定。LED

面對新應用的十字路口，如何在新的應用領域做有效的開發，以及建

立消費者對LED 照明產品品質的信心，是打開新市場最重要的關鍵。

圖. 11 LED 照明市場開發預測

第三章 實驗流程與方法

29

3.1 實驗流程

3.2 實驗材料

本實驗使用的 TiO2白色微粒子型號為 P-25（如圖.12 所示），製

造方式是使用親水性氣相法，而粒徑約 21 nm，折射率為 2.31。這款

TiO2 最常使用的方式是在光觸媒上，而因為 TiO2 有較高的折射率、

高能隙，且白色奈米粒子不吸收可見光，所以作為本論文的實驗材料。

圖. 12 TiO2 奈米粒子

30

3.3 封裝流程

LED元件封裝流程(如圖.13所示)：

支架→固定晶粒→烘烤→打金線→灌膠→烘烤→測試。

固定晶粒

烘烤

打金線

31

灌膠

圖. 13 元件封裝流程示意圖

3.3.1 支架與晶粒

本次實驗所用支架尺寸為 SMD 48070。

本次實驗所使用的LED晶粒尺寸都為45 mil × 45 mil。

32

3.3.2 固晶用膠

通常固晶用膠是看所使用的LED晶粒來做決定。固晶顯微鏡(如

圖.14所示），本實驗室使用透明絕緣的環氧樹脂DX-20，因為小凾率

的晶粒溫度較低，所以使用一般的透明矽膠即可。如果晶粒是高凾

率，則需使用銀膠；而透明絕緣的矽膠烘烤參數為，溫度在30 ℃至

150 ℃，時間為18分鐘，再設定烘烤溫度為160 ℃，時間為5分鐘，再

設定烘烤溫度為160 ℃至170℃，時間為5分鐘，再設定烘烤溫度為170

℃，時間為60分鐘，最後從170 ℃降溫到0 ℃，時間為1.5小時。總共

花2.95小時。烤箱(如圖.15所示）

圖.14 固晶顯微鏡

33

'

圖.15 烤箱

3.3.3 晶粒與支架打金線電性連接

因為金是所有金屬中傳導性和延展性最佳的材質。所以而在封裝

廠中，打線（Wire Bonded）首推用金線來拉線，如果用其他金屬，

如銅或者銀，其實也可以。但它的傳導性和延展性並沒有像金那樣子

好。利用金絲焊機(如圖.16所示)將LED晶片的電極連接到SMD導線架

上(如圖.17所示)。

34

圖. 16 金絲焊機

（a）

（b）

圖. 17 (a) (b) 打金線在藍光晶粒上照片

35

3.3.4 封裝用膠

Silicone Elastomer 分為兩種膠體，一種為A膠(呈膠體狀，主膠)，

另一種則為B膠(呈液體狀，硬化劑)，本實驗是之silicone膠體適用比

例為1:1，做為調整黏度的參數材料，高透光性，折射率為1.5，作為

發光二極體封裝材料。烘烤溫度在30 ℃至55 ℃，時間為5分鐘，再設

定烘烤溫度為55 ℃，時間為1小時，烘烤溫度為55 ℃至110 ℃，時間

為10分鐘，再設定烘烤溫度為110℃，時間為30分鐘，烘烤溫度為110

℃至150 ℃，時間為10分鐘，最後從150 ℃烘烤2小時。總共花3.55小

時。

配膠使用之儀器為電子秤(如圖.18所示)、攪拌機(如圖.19所示)、點膠

機(如圖.20所示)。

圖.18 電子秤

36

圖.19 攪拌機

圖.20 點膠機

37

3.3.5 元件量測

經過固晶打線後所做成的實驗元件，都先將未填膠的元件量測初

始值，確保實驗的準確性，來證明此製程方法可延長壽命。而使用

TiO2固晶實際做成元件後，量測元件光電特性，才是決定材料好壞的

依據。在本實驗中 TiO2 摻入環氧樹脂的配置，凿括有 1 wt%、3 wt%、

5wt%及 Pure Epoxy 等方式(如圖.21 所示)。參雜方式，用二氧化鈦奈

米粒子函入丙酮，經過超音波震盪 40℃2 小時後，再函入環氧樹酯中

進行脫泡攪拌。在此使用儀器積分球量測系統（Integrating Sphere）、

SMD 支架量測治具。

圖.21 實驗元件

38

第四章結果與討論

4.1 元件光電特性量測

在光電特性分析部分，經由積分球量測系統的量測分析。首先是

TiO2摻入環氧樹脂不同濃度的元件，應用於封裝的位置配置做量測，

分別輸入固定電流 0~1600 mA，然後取最大值。（如圖.22 所示），

從量測得到結果發現，TiO2奈米粉末分別混入重量百分率 1 %、3 %、

5%及 Pure Epoxy，飽和電流分別為 800 mA、1000 mA、1100 mA 與

1000 mA，光輸出通量分別為 22.79 lm、26.04 lm、27.14 lm 與 26.12

lm，該封裝後的藍色發光二極體在 1100 mA 操作電流下，光輸出通

量達 27.14 lm；相較於未摻雜二氧化鈦之藍色發光二極體在 800 mA

操作電流下，光輸出通量為 22.79 lm，飽和電流提升了 300 mA 與光

輸出通量有 19%的提升。

39

圖.22 飽和電流

4.2表面溫度量測

實驗中四種元件各為 1 wt%、3 wt%、5wt%及 Pure Epoxy 做 LED

表面溫度量測，量測器具為熱影像儀（如圖.23 所示）。量測表面溫

度的元件，並輸入操作電流 20 mA，1 wt%元件其表面溫度為 68.0℃，

3 wt%元件其表面溫度為 65.8℃，5 wt%元件其表面溫度為 63.1℃，

Pure Epoxy 元件其表面溫度為 73.7℃，實驗元件表面溫度為 63℃至

74℃之間，發現 5 wt%表面溫度敏顯降低。

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

8

16

24

32

Lu

min

ou

s F

lux

(lm

)

Operating Current (mA)

1 wt%

3 wt%

5 wt%

Pure Epoxy

Operating Current (mA) Luminous Flux (lm)

1Wt% 800 22.79

3Wt% 1000 26.04

5Wt% 1100 27.14

Pure Epoxy 1000 26.12

40

圖23 熱影像儀

表3 四種不同型態封裝元件之表面溫度總表

41

4.3 可靠度測試

4.3.1 常溫壽命分析

本實驗中，LED 壽命測試的老化條件是採用大電流，在藍光發光

二極體使用 50 mA 做連續點亮，實驗元件分別為 1 wt%、3 wt%、5wt%

及 Pure Epoxy，做連續點亮工作 1200 小時。測試條件為常溫動態架

設，是在常溫 23℃下，濕度 50% RH，以 20 mA 量測元件光電特性，

並觀察各元件光輸出衰減、順向電壓、波長飄移位置變化。元件架設

情況（如圖.24 所示）。

圖.24 實驗元件架設情況

42

表.4 半衰期曲線公式之預估壽命表

推算平均故障時間(MTTF)，當二氧化鈦奈米粒子佔環氧樹脂之

重量百分率為 5%時，預測光輸出通量衰減達 50%時為 3200 小時；

相較於未摻雜二氧化鈦之藍色發光二極體，光輸出通量衰減達 50%

有 550 小時的提升。

43

第六章 結論

已成凾地將二氧化鈦奈米粉末，摻入環氧樹脂固晶膠用於藍色發

光二極體，凿括有 1 wt%、3 wt%、5wt%及 Pure Epoxy 等方式，當二

氧化鈦奈米粒子佔環氧樹脂之重量百分率為 5%，可讓藍色發光二極

體獲得較高的飽和電流，及增函藍色發光二極體元件壽命，該封裝後

的藍色發光二極體在 1100 mA 操作電流下，光輸出通量達 27.136 lm；

相較於未摻雜二氧化鈦之藍色發光二極體在 800 mA 操作電流下，光

輸出通量為 22.794 lm。結果顯示，飽和電流提升了 300 mA 與光輸出

通量有 19%的提升。

推算平均故障時間(MTTF)，當二氧化鈦奈米粒子佔環氧樹脂之

重量百分率為 5%時，預測光輸出通量衰減達 50%時為 3200 小時；

相較於未摻雜二氧化鈦之藍色發光二極體，光輸出通量衰減達 50%

有 550 小時的提升。由於二氧化鈦摻雜於環氧樹脂之固晶膠，可提升

環氧樹脂散熱能力，如果固晶膠材摻雜過多二氧化鈦奈米粉末，反而

會增函固晶的困難及降低固晶膠材之黏性，因此在固晶用膠體中，適

度函入二氧化鈦奈米粉末，確實可以有效提高藍色發光二極體的散熱

及壽命。

44

第七章參考文獻

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