白熾熱燈泡的發(fā)展更可向前推至1850年，亦即Joseph Wilson Swan于1878年取得首項專利，并實現(xiàn)首個商品化的燈泡，甚至早在1805年的Humphry Davy所研發(fā)的藝術(shù)燈源，由此鎢絲燈泡的創(chuàng)新，加上前后經(jīng)過將近60余年的研發(fā)，才看到今日鎢絲燈泡商業(yè)化的成果。

　　創(chuàng)新LED照明時代正式展開

　　100多年后的今天，進入發(fā)光二極體（LED）照明時代，雖然白光LED的發(fā)明僅僅19年，試過的材料也還不及愛迪生的六千余種，加上在21世紀(jì)知識開放、技術(shù)進步之時談創(chuàng)新，或許不比19世紀(jì)容易，但LED商業(yè)化的腳步已積極進入市場，甚至許多產(chǎn)品早已悄悄的結(jié)束短暫的市場生命。雖然在地球暖化節(jié)能趨勢等議題的迫使下，各國開始禁產(chǎn)或禁用白熾燈泡，但仍預(yù)期白熾燈泡將會繼續(xù)存在于你我生活周遭達(dá)數(shù)10年之久。

　　由以上兩項創(chuàng)新例子觀之，創(chuàng)新或許就在周遭生活中易由靈感而生，并在商業(yè)市場產(chǎn)生重大價值，但燈泡的創(chuàng)新就足以稱為是一個系統(tǒng)整合應(yīng)用的艱難工程。

　　LED照明系統(tǒng)設(shè)計在現(xiàn)今確實須要相當(dāng)積極地投入人才、設(shè)備及具有開創(chuàng)性思維的想法與作法，才有可能達(dá)到創(chuàng)新的目的。然而今天能稱得上創(chuàng)新的LED照明寥寥可數(shù)，因為要創(chuàng)造產(chǎn)品須要丟掉舊有思維和包袱，并兼顧市場的商業(yè)性，往往讓人卻步。而任何創(chuàng)新背后必須先結(jié)合產(chǎn)品分析調(diào)查，作為商品化成功的立論基礎(chǔ)。再加上創(chuàng)新的成果必須有專利的保護才能保障其價值及商業(yè)利益，為達(dá)到此目的，其背后資源的支撐是相當(dāng)可觀的。

　　至今，大多數(shù)的LED照明設(shè)計不是修改、抄襲或稱之為逆向工程，就是想走開發(fā)捷徑，套用現(xiàn)有的燈具規(guī)格。或許是因為缺乏整合性，礙于技術(shù)瓶頸，僅就造型變更，又或許LED照明市場尚未標(biāo)準(zhǔn)化，市場規(guī)模也尚未成熟，致使以市場測試實驗性質(zhì)的思維製作出改良式的照明產(chǎn)品居多。當(dāng)然部分的LED照明產(chǎn)品，在某種程度上還是加入使用需求上的方便性、改良性或新穎性。在某種程度上不能說沒有達(dá)到創(chuàng)新，但面對不久的將來，若LED系統(tǒng)照明要能夠在商業(yè)市場占有一席之地且繼續(xù)茁壯，確實須要整合創(chuàng)新的布局及執(zhí)行能力才能面對往后更嚴(yán)苛的市場挑戰(zhàn)。

　　目前的創(chuàng)新須以符合大眾市場需求及創(chuàng)造大量商業(yè)價值為前題，小眾市場的創(chuàng)新設(shè)計已蓬勃發(fā)展中，但姑且稱之為藝術(shù)價值高于實體應(yīng)用價值所設(shè)計出的產(chǎn)品。

　　因為LED照明所追求的并不完全在于技術(shù)指標(biāo)，照明本身的功能也并不全然是為須要照亮而亮，當(dāng)然創(chuàng)新包括在光機電熱技術(shù)的整合突破，另外亦須兼顧消費者在視覺、觸覺等感官的價值。目前動輒新臺幣數(shù)萬元的LED桌燈、檯燈或投射燈，在產(chǎn)品的背后所要呈現(xiàn)的仍多半在于表達(dá)視覺創(chuàng)新、觸覺價值或經(jīng)由控制達(dá)到精神感官的創(chuàng)新互動。LED售價并非過于昂貴，而是在商品化后設(shè)計創(chuàng)新的附加價值所使然。

　　LED的應(yīng)用範(fàn)圍極為廣泛，現(xiàn)就針對照明應(yīng)用系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計的相關(guān)問題及開發(fā)的方向一一探討。

　　不同照明應(yīng)用的LED性能要求迥異

　　為擴大LED光源市場接受度，其須達(dá)到功能性要求的必要性，并不是每種LED照明光源都必須追求最高發(fā)光效率、最低價格、最高演色性、最長壽命等，而是依據(jù)應(yīng)用不同而有所差異，現(xiàn)以室內(nèi)照明中的一般辦公室工作照明、閱讀照明及未來家用燈泡置換照明市場為例談起。

　　對于LED光源首要追求的是達(dá)到最佳的性價比，在安全無虞的情況下，得到最高的流明輸出、最小的消耗電能及最低的價格。因為對于消費者大眾而言，比較傳統(tǒng)其他光源，花最少錢能買到最具經(jīng)濟效益的產(chǎn)品是購買的主要動力之一。至于是否達(dá)成無紫外線、不含汞、高演色性、5萬小時壽命等行銷的附加價值并非擴大市場接受度的主因。當(dāng)然品牌代表某種程度的品質(zhì)信賴，此外視覺感官對于顏色喜好也會有所影響，因此如何創(chuàng)新設(shè)計適合市場需求的LED光源，將是技術(shù)面要探討的課題。

　　LED光源的發(fā)光效率發(fā)展至今，已超越絕大部分傳統(tǒng)光源（圖1、2），唯獨少部分低壓或高壓放電光源的效率可以一較高下，但就電源控制和驅(qū)動上，體積與溫度又各自有其優(yōu)缺點，以下將就LED照明系統(tǒng)設(shè)計的每一環(huán)節(jié)說明。

　　圖1　1995～2020年LED發(fā)光效率演進

　　圖2　LED照明利基市場

　　創(chuàng)新製程/AC LED實現(xiàn)高效能晶片

　　現(xiàn)階段市場上的LED磊晶片，無論是Cree的垂直元件、飛利浦（Philips）Lumileds的覆晶元件或日亞（Nichia）、晶元光電等平面式的元件，為求優(yōu)化晶片本身的效能，不外乎利用不同的基材（透光、導(dǎo)熱考量）搭配光學(xué)反射層的效率（反射出光）；上/下粗化結(jié)構(gòu)（改變反射、折射增加出光）；線路光罩設(shè)計（增加出光面積改善電流分布密度，以降低驅(qū)動電壓增加出光效率）；晶片尺寸最佳化的調(diào)整；再加上磊晶製程參數(shù)變異調(diào)整等來達(dá)到晶片最高的光電轉(zhuǎn)換效率，在每一製程中鉆研材料和製程所能提供增加轉(zhuǎn)換效率的方法。

　　至于哪種結(jié)構(gòu)是最佳的創(chuàng)新設(shè)計？就發(fā)光效率而言，或許垂直元件較優(yōu)；但就室內(nèi)照明中的一般辦公室工作照明、閱讀照明及未來家用燈泡置換照明市場的製造成本而言，***目前平面式晶片則在性價比上遠(yuǎn)優(yōu)于國外大廠。另外，在晶片端的應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新，除了由製程改善去創(chuàng)新整體晶片效益外；交流電（AC）LED的誕生，使LED照明應(yīng)用不僅有直流晶片串并聯(lián)的選擇，而能有交流市電直接驅(qū)動，因此可減少變壓器的成本、產(chǎn)品內(nèi)部空間、驅(qū)動電路規(guī)格迥異、變壓器效率損耗及品質(zhì)壽命等問題，大大簡化模組及產(chǎn)品設(shè)計端的問題。然而目前在市場消費端面臨的創(chuàng)新所衍生的其他問題也隨之而來，其一為產(chǎn)生因創(chuàng)新導(dǎo)致消費者出現(xiàn)陌生的疑慮，而在消費行為上遲疑膽怯，此消費群未必是終端消費大眾，而是LED照明產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的中下游購買者，其會對產(chǎn)品因陌生而遲疑、對交流電性的不了解或?qū)Ξa(chǎn)品風(fēng)險的不確定性，而不敢創(chuàng)新產(chǎn)品的開發(fā)；其二是創(chuàng)新令消費大眾觀望，但卻令消費族群中的嚐鮮族雀躍。然而前兩者問題可在LED中下游供應(yīng)鏈中透過創(chuàng)新設(shè)計及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y試手段釐清疑慮，進而創(chuàng)造產(chǎn)品市場區(qū)隔和競爭優(yōu)勢。

　　創(chuàng)新封裝設(shè)計需求日益殷切

　　封裝設(shè)計以早期的燈源型態(tài)到塑料無接腳晶片承載封裝（PLCC）側(cè)面（Side View）或上面（Top View）型態(tài)，均以單晶或多晶片封裝型式存在，驅(qū)動電流在120毫安培以下居多，早期以3C消費性電子產(chǎn)品如手機螢?zāi)槐彻?、?shù)位相框背光、筆記型電腦螢?zāi)槐彻獾龋M入到一般照明后，仍有眾多廠商以小瓦數(shù)PLCC封裝元件作為光源，再結(jié)合多顆光源實現(xiàn)燈具產(chǎn)品的光源模組（圖3），在LED光源封裝并未應(yīng)用到創(chuàng)新的設(shè)計。

　　圖3　多顆LED光源組合的照明模組

　　創(chuàng)新投射/泛光型封裝須面面俱到

　　對于泛光型燈泡或聚光型光源，如E27型的球泡燈、PAR燈、AR111、MR燈、鑲?cè)雿€入式筒燈、軌道頭射等光源產(chǎn)品而言，會在LED封裝光源上趨向于單點高流明輸出（投射型）（圖4）/多點組合輸出（泛光型）（圖5）、高演色性（CRI》80）、低熱阻係數(shù)（《3k/W）、光色溫的均勻度、增溫下的色溫偏移、長壽命/高可靠度等，如何從封裝（圖6）角度創(chuàng)新達(dá)到市場需求，可分別說明如下：

　　圖4　單點高流明輸出

　　圖5　多點組合輸出

　　圖6　晶圓級（Wafer Level）硅晶片封裝

　　在實行創(chuàng)新前，要先清楚產(chǎn)品最終的目標(biāo)，達(dá)到滿足預(yù)期市場上對LED封裝光源規(guī)格趨勢。

　　首先，須選定最適當(dāng)?shù)木私饩Y(jié)構(gòu)、晶片光電特性與晶片性價比，再來設(shè)計最佳的封裝結(jié)構(gòu)。目前高功率45密耳（mil）以上晶片封裝，在350毫安培電流驅(qū)動下，可以達(dá)到每瓦150至160流明，今日***晶片在各國其他大廠的競爭下，更可做出絕對優(yōu)于國外廠家的每美元160流明的規(guī)格。

　　其次，固晶上必須選用最佳晶片貼著（Die Attachement）材料及製程技術(shù)，用高導(dǎo)熱硅膠、銀膠（》15W/mk）甚至以助銲劑（Soldering Flux）銲錫（Cu-Sn-Au），將晶片銲接在金屬基板，更或者以共金（Eutectic Bonding）製程將晶片熔接于硅晶片上。這些固晶製程的選用，都在于降低晶片節(jié)點溫度，提高在相同電流下的電光轉(zhuǎn)換效率和增加光效能，降低材料老化造成日后光衰的比例，以及提升固晶接著的可靠度。 此外，封裝單體載板（Substrate）的選用設(shè)計，過去以低功率的支架（Leadframe）為主，漸漸走入高功率的金屬支架（Metal Slug），在進入低溫共燒（LTCC）陶瓷（Ceramic）、高溫共燒（HTCC）陶瓷、晶片直接固定在各式金屬基板（Chip on Metal Board），再到晶片固定在8吋硅晶片上，隨著功率不斷增加、光型的要求、單位面積內(nèi)的熱密度（Thermal Density）提高，對于封裝晶片載板設(shè)計的選用，必須去創(chuàng)新開發(fā)更能加速熱傳導(dǎo)、更能萃取光輸出、更能減低材料變異而產(chǎn)生老化衰減的材料。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要因選用晶片的不同而有所改變，如此才能達(dá)到封裝整體效能的最佳化，并不是購買一般支架或公板陶瓷放入最大轉(zhuǎn)換功率（Power Flux）的晶片，即可封裝出最佳光效能元件。

　　另外，在現(xiàn)今LED照明應(yīng)用，雖有各種顏色的裝飾應(yīng)用，但最主要還是以白光為主，然而產(chǎn)生白光的方式不外乎紅綠藍(lán)光混光、紫外線激發(fā)紅綠藍(lán)螢光粉，或最為普遍的藍(lán)光加黃色為主的螢光粉。但談到創(chuàng)新，在此特別針對叁個方向略述，其一為高演色性（CRI），CRI大于80甚至于大于90，必須在螢光粉材料做創(chuàng)新開發(fā)。對于封裝研發(fā)而言，必須進行各波段螢光粉與接近610～630奈米紅色螢光粉，更甚至到655奈米紅色螢光粉進行在不同封裝結(jié)構(gòu)下，及藍(lán)光波段搭配的實驗比對，找到無論光輸出效率、演色性或色溫的最佳組合，再加上封裝膠材、點膠方式的不同及螢光粉沉淀與否，或多或少增加封裝難以控制的變數(shù)。其二，封膠和螢光粉涂布製程上的創(chuàng)新，從針筒點膠（Dispensing）到模具充填（Molding）、印刷填膠（Printing）、高精密度的噴膠充填（Conformal Coating and Inject Printing）等創(chuàng)新製程，提升產(chǎn)能、良率、出光效率，也改善出光的均勻性。此外，更具創(chuàng)新與商品化的是所謂的Remote Phosphor製程，其將螢光粉抽離晶片表面，在一定距離外，以不同的方式將螢光粉附著在透光結(jié)構(gòu)體上。飛利浦更將此創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用在燈泡類產(chǎn)品，其光效成果與研究機構(gòu)、學(xué)術(shù)單位過去發(fā)表的學(xué)術(shù)實驗結(jié)果或理論相去不遠(yuǎn)，確實可達(dá)每瓦100流明以上、CRI》80的效能。 最后，在照明封裝元件創(chuàng)新過程尚須注意演色性與出光效率（圖7）。

　　圖7　LED演色性與發(fā)光效率變化圖

　　降低節(jié)點溫度提高演色性

　　實際照明使用上是沒有人去看Tj=25℃下的瞬間流明效率，封裝的研發(fā)創(chuàng)新過程中，更要去注意溫度與光輸出的變異，而此變異也會明顯影響實際使用情況下的色溫差異及些微的演色性變異（圖7），如燈泡類、嵌入式下照燈具等，LED周圍環(huán)境都相當(dāng)輕易達(dá)到60～80℃，換言之，不是最佳化的照明系統(tǒng)設(shè)計，極為可能讓LED節(jié)點（Junction）溫度達(dá)到120～150℃，實際熱效應(yīng)造成光輸出的減低（Hot-cold Factor）會超過15%以上。為改善此弊病，整個照明系統(tǒng)的每一介面熱阻必須努力調(diào)降，以達(dá)到降低節(jié)點溫度目的，減少色溫偏差（圖8）。

　　圖8　LED周圍溫度與相對光束特性變化圖

　　創(chuàng)新模組設(shè)計須考量三大議題

　　完成最佳晶片封裝元件，就光特性而言已決定一大半，模組設(shè)計上所須考慮的重要議題則是熱處理（Thermal Management）、電源控制和電路設(shè)計及二次光學(xué)機構(gòu)設(shè)計，而此叁項的設(shè)計不佳，則輕易的就能在模組系統(tǒng)中損失50%以上的光輸出效率，就算達(dá)到每瓦150流明，在組成系統(tǒng)之后，就會發(fā)現(xiàn)終端產(chǎn)品只在60～70流明。

　　現(xiàn)將透過不同方式解決上述叁個問題：其一為採用高導(dǎo)熱材作，如模組電路機板、在低導(dǎo)熱材機板上增加與空氣接觸面積、將LED元件（熱源）分散放置或?qū)l(fā)熱電子元件分離或遠(yuǎn)離LED光源，避免使用任何低導(dǎo)熱絕緣層來增加LED熱傳導(dǎo)過程中的阻力（熱阻）。其次為電路板面採高反射率絕緣漆來增加向下光的反射，以高效率的定電流控制元件減少電源消耗，同時採溫度控制機制調(diào)節(jié)定電流輸出，作為一種保護機制，以及採高壓交直流轉(zhuǎn)換電路降低變壓損耗。此外，採耐久高透光性或高反射性材料做二次光學(xué)透鏡或反射光學(xué)件，以專業(yè)光學(xué)模擬軟體計算設(shè)計模擬最佳出光效率。

　　創(chuàng)新照明系統(tǒng)設(shè)計須兼顧開創(chuàng)/不可取代/市場性

　　在此結(jié)合光機電熱的系統(tǒng)中，除選對或設(shè)計最佳LED元件，搭配最佳模組熱管理及電路設(shè)計，加上使用二次光學(xué)，始完成最接近消費者的產(chǎn)品設(shè)計。當(dāng)然產(chǎn)品設(shè)計并非在此階段才開始，而是在本文最早依據(jù)市場使用需求立論基礎(chǔ)而來。所有系統(tǒng)設(shè)計的環(huán)節(jié)，皆是為了最終產(chǎn)品目的。在創(chuàng)新LED照明框架下，終端產(chǎn)品本身必須具開創(chuàng)性、不可取代性及市場性。

　　圖9由圓形單片組成光源體組合的鏤空立體燈具，雖然是歐司朗光電半導(dǎo)體（OSRAM Opto Semiconductors）以有機發(fā)光二極體（OLED）設(shè)計而成的概念，但此概念在目前是可以商業(yè)化且充分兼顧LED照明功能的優(yōu)越性，以及對熱對流和熱傳導(dǎo)的設(shè)計考量。至于日本Panasonic電工所設(shè)計的薄型下照燈（圖10），亦具備一般傳統(tǒng)光源所無法的取代性，超薄的尺寸透露輕巧的視覺感受，若採用AC LED更可將厚度再薄型化，當(dāng)然熱處理上必須考慮散熱面積、表面材質(zhì)的應(yīng)用處理，加上空氣對流設(shè)計，藉以降低空氣接觸面的熱阻，加速散熱效果。

　　圖9　歐司朗OLED概念照明

　　資料來源：Panasonic電工

　　圖10　Panasonic電工開發(fā)的薄型下照燈

　　至于戶外照明、建筑照明、特殊照明如養(yǎng)殖農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等其他LED照明應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計在基本上在光源封裝上要研發(fā)創(chuàng)新的部分差異不大，而是在模組設(shè)計、電源電路控制及光學(xué)機構(gòu)設(shè)計，各有其使用環(huán)境限制、功能表現(xiàn)及波長獨特性，仍需LED研發(fā)人員努力去開創(chuàng)。