1907年Round發現SiC之電激發光，開始了LED往後的發展，不過起初並沒太多迴響，也無實際產品出現，直至1960年GE研究員Holonyak將GaAs紅外光LED商品化後，才算真正開啟LED沈寂許久的大門，而近來LED更隨著1993年藍光LED的發明，邁向另一個蓬勃之新紀元。
LED工作原理如圖1所示，主要藉著p型和n型半導體之電子與電洞在活性層(Active Layer)結合後，將電能轉換成光線釋放出去；而活性層材料的變化(如InGaN、AlInGaP、GaAs等)，則可使得發光二極體放出各種不同波長的電磁波。一般來說其放光波長與活性層材料能帶有關(λemiss=1239/Eg)，波長分佈從400nm的藍光到900nm的紅外光，範圍相當寬廣，大大拓展固態光源應用空間。發光二極體除具發光顏色多樣化的優勢外，尚擁有省電、體積小、壽命長(10萬小時)、反應速度快(10-9秒)、污染低、高可靠度、模組彈性大等眾多優點，而自1960年以來，隨著磊晶與封裝技術進步，發光二極體之發光效率也以倍數成長，每隔15年效率便增加10倍(圖2)，促使發光二極體標的市場逐漸從指示光源(indicator)拓展至照明光源。
LED早期亮度不高，僅能使用在一般的指示光源(indicator)，不過近年來隨其發光效能精進，發光二極體逐漸由輔助光源躍升為主光源，應用範圍廣泛(表1)。根據iSuppli最新的報導，LED整體應用總產值在2004年為47億美金，到了2008年增加為69億美金，以47%的速度大幅成長，其中主要標的市場可區分為指示光源、交通號誌、汽車應用、大型顯示器、裝飾光源、LCD背光模組、手機光源與一般照明等共8種。目前LED的終端應用雖以指示光源所佔比例最大，不過該產品跨入門檻低且利潤持續下滑，因此市場未來性不被看好，至2008年預期將減少7%；而LED第二大標的市場為LCD背光模組，佔LED整體應用25%，未來應電腦螢幕或LCD TV需求，後勢普遍看好；此外，車用市場著重於車內光源、指示光源與車頭燈等應用，儘管現在佔有率僅7%，但車用市場龐大，未來勢必為另一個發展重點。再者，照明市場更是LED最終殺手級應用，雖然目前產值不高，但各LED或燈具大廠無不戮力在此深耕，以期在每年上百億美金之照明領域佔有一席之地。總之，除了現有已趨飽和之指示與手機光源市場外，LCD背光模組、車用與照明應用將是LED下世代的新興應用。接下來分別就此三領域說明發光二極體未來應用市場概況。
基於色彩飽和度、色彩再現性與歐洲環保等需求，傳統CCFL性能已不如LED背光源特性，因此各背光模組或是顯示器大廠都嘗試以LED當作顯示器背光源，企圖增加顯示器NTSC至100%以上，並賦予顯示器具有更精準的色彩定義與再現性；以SONY於2005年推出的高性能Qualia 40吋與46吋LCD TV為例(圖4)，其中便使用Lumiled所開發的紅、藍、綠LED當作背光源，色彩表現範圍與NTSC比為105%，遠優於一般CCFL LCD TV之70%。一片40吋以上的LCD顯示器內部約需使用300～400顆的LED模組，如圖4，而LCD顯示器應用產量逐年增加，至2004年全球需求概約946萬台(圖5)，因此將來LCD背光源若全面換裝為發光二極體，LED年需求量為28億顆，市場重要性可見一斑。
發光二極體於汽車之應用可分為外部與內部使用。汽車內部使用包括儀表板、空調、音響等指示光源與車內照明用燈；至於外部使用則涵蓋第三煞車燈、尾燈、方向燈、側燈等。總體來說，一部車內、外約略需要用掉200顆發光二極體。由於發光二極體亮度高、反應快、壽命長且無污染，目前歐系車廠如奧迪、寶馬及福斯等廠牌，全車內部皆已採用發光二極體，未來日系車廠也將陸續把汽車內部光源改為發光二極體。至於汽車外部應用方面，歐系汽車將第三煞車燈改成發光二極體之比率已超過70%，日系車種也已超過25%，另外，隨著發光二極體效能的提昇，其於汽車頭燈上之應用可能性也隨之提昇，因此汽車光源全面換裝為發光二極體是指日可待。發光二極體在汽車市場之成長主要源自於現有指示燈與燈泡照明的替代，假設每年汽車出貨量為6,000萬台，若汽車內部全面替換為發光二極體，則有60億顆發光二極體的需求，若外部也全面換裝的話，亦有60億顆發光二極體之市場，也就是說全球每台車的光源均改成發光二極體時，一年內發光二極體在汽車市場上之需求約有120億顆，顯示發光二極體應用於汽車市場之巨大潛力。
不過，國內發光二極體廠商往往較難切入此一標的市場，主要原因有二：其一是技術能力不足，產品亮度及品質不如國外大廠，而基於汽車使用上的安全考量，車廠對各零件品質要求十分嚴格，以致國外車廠較不願意使用國內生產的發光二極體。其二是車用零件認證時間較長，一般來說至少需要3年以上的時間，所以既使國內廠商技術能力不錯，但是認證時間較長，相對提高了國內廠商進入該市場之障礙。
Frost & Sullivan的估計，全球照明光源市場每年約有90億美元之產值，且每年以5%的成長率穩定增加，其中光發光二極體早期較易切入的白熾燈泡及螢(日)光燈市場總值就達50億美元，幾乎等於發光二極體全球之年產值，數目之大令人垂涎；目前發光二極體正以每年2%的幅度侵吞照明市場，而且該市場產值年成長率高達67%，將來若能有效解決發光二極體現有瓶頸並拓展其照明領域，有朝一日，照明應用勢可為發光二極體未來發展再創新紀元。
發光二極體製造過程內含許多核心技術，如磊晶製程、電極製作、晶粒切割與結構封裝等，種種皆與發光二極體工作效能和使用壽命息息相關，其中結構封裝不僅保護發光二極體晶片，更能提昇產品壽命。近年來，應市場對LED亮度要求之提昇，結構封裝更積極扮演外部取光效率(light extraction efficiency)增益與有效散熱的角色，對LED重要性不可言喻。發光二極體構裝形式眾多，傳統可分為砲彈型(Lamp type)與表面黏著型(SMD)兩種；砲彈型的構裝如圖6(a)所示，主要由支架、反射杯、晶片、晶線和封裝材料組成，主要是將晶粒黏著於反射杯，隨後予以打線、封膠、脫膜、成形。而表面黏著型LED其結構如圖6(b)所示；晶片被黏著在基板(PCB、Ceramic等)上後，再打線、壓模、切割、測試、成形，體積較砲彈型構裝縮小許多，大量使用在如手機般小型化攜帶性產品。然經由LED各標的市場分析可知，LCD背光模組、車用與照明為LED下一步之重點應用，而針對此三項新興的LED終端產品，傳統亮度的LED效能已不敷使用，取而代之的需求是高亮度或白光LED；對此兩類LED產品而言，傳統的封裝形式或材料在面對高功率、高效率與高演色性等要求時，遇到不少技術難點；底下就高亮度與白光LED所面臨的封裝問題進行討論，並說明封裝形式與材料未來可能之發展趨勢。
一般來說，LED亮度提昇有兩種途徑，一為提高效率，二為增加功率(即高功率LED；Power> 1W)。下面便分成兩部分予以探討。
近年來發光二極體的發光效率每年都顯著增加，就R、G、B、White LED來說，最佳效率已超過50 lm/W，大幅拓展LED應用領域，不過相較其他照明光源而言，其效率仍有待改善。而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，一般而言，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，主要歸咎於不同介質間之全反射損失與構裝材料本身的吸收。就LED元件來看，經由電子、電洞接合，光從LED晶片活性層(active layer)發出後，經過封裝材料才到達空氣，而從光所行經的路徑來看，必須經過許多折射率不同之介質，如磊晶層或封裝材料層等，若光從高折射率材料進入低折射率介質時，其介面就會發生全反射現象，使得光波無法有效導出，進而侷限在LED構裝內部被構裝材料吸收產生熱量，促使LED效能與壽命降低。由此可知，若要增加外部取光效率，則須調變構裝形式或封裝材料來將光導出元件。
以YK電子在2003年開發的LED產品為例，利用圖7的構裝形式，增加外部取光效率，讓亮度高出砲彈型LED一倍以上。YK電子為了有效把晶片發出的光釋放到封裝外部，在構裝中設置反光板(鏡子)；結構由下而上依次為鏡子、LED晶片和環氧樹脂。而在封裝內，鏡子凹面朝向封裝表面，並在上面配置LED晶片，使得晶片發光側朝向鏡子凹面，進而透過這種構裝，LED晶片發出的光受到鏡面反射，照射到封裝表面，將光波導出LED元件外部，增加整體亮度。
再則，晶片表面粗化或建構光子晶體也是目前提高外部取光效率之熱門方式，以松下電器去年在SSDM 2003(2003年固體元件及材料國際會議)發表的文獻為例，其利用光子晶體提高了發光效率；在藍光晶片表面配置二種折射率差異較大的介質，形成凸部(GaN，折射率2.5)和凹部(空氣層，折射率1)沿水平方向規則排列的光子晶體，週期控制在1.5μm(藍光波長3倍)，如圖8所示，利用周期性折射率分布而使光線發生衍射，進而從晶片內部發射到外部的光線就會增加，較基本構裝之LED亮度增加1.5倍，提昇外部取光效率至60％左右。
而Lumiled則藉覆裝晶片(flip chip)，如圖9所示，一方面使光從折射率較低(n=1.8)的藍寶石(sapphire)射出，減少晶片與封裝材料間之全反射損失，另一方面移去晶線並添加下方反射層來提增封裝結構外部取光能力；從實驗結果中發現，如圖9所示，加置反射層的覆晶式構裝出光效率的確高於傳統構裝，且效果以銀反射層之效果最好。除上述方法之外，尚有其他LED大廠藉改變晶片形狀、粗化晶片表面、增加窗口層、使用透明基板等手段來提昇外部取光效率，增加LED發光效能。
除了改變構裝形式可增加LED外部取光效率外，封裝材料光學特性的調整也有助於LED亮度的提昇，其中以高折射率與折射率穩定性高為未來重點發展方向。一般來說，LED晶片之折射率(n=2~4)遠高於封裝材料之折射率(n=1.53)，因此當晶片發光經過封裝材料時，會在其界面間發生全反射效應，造成大部分的光線反射回晶片內部，無法有效導出，亮度效能直接受損。為解決此問題，則須提高封裝材料的折射率，來減小全反射損失；以工研院光電所軟體模擬的研究結果來看，隨著封裝材料折射率的增加，將可使得LED亮度獲得增加，就紅光LED元件而言，當封裝材料折射率為1.7時，外部取光效率可提昇44%，如圖10所示。因此，如何開發高折射率透明封裝材料，來縮小晶片與封裝材料間的折射率差異，其重要性可見一斑。另外，封裝材料折射率之穩定性也會影響LED元件最終的出光亮度，若封裝材料內部折射率變異過大，則會有光散射的問題，導致其光波穿透率下滑；以圖11為例，分別利用高、低折射率差異的封裝材料封裝LED，發現低折射率差異的樹脂在可見光波段穿透率遠優於高折射率差異之系統，由此可知高折射率差異之樹脂系統對LED亮度所可能產生的影響。
提昇LED亮度的另一種方式則是增加元件工作功率，若LED元件效率不夠時，欲在低功率下產生高亮度有極大之困難，因此為了讓發光二極體發出足夠的亮度，須提高其操作功率。傳統發光二極體功率低於0.1W，但就高亮度需求而言，發光二極體操作功率須增至1W以上；而在此種操作環境下，以砲彈型發光二極體為例，工作熱阻抗大於200oC/W，若工作功率1W時，砲彈型構裝內溫度有可能超過200oC，對晶片或周遭封裝材料傷害極大，進而衍生出下列問題：
‧封裝材料黃變(Yellowing Issue)：一般發光二極體皆使用環氧樹脂當作封裝材料，不過該樹脂屬於有機材料，當工作溫度過高時，極易劣化產生黃變減低光線穿透率，導致發光二極體出光效能大打折扣；以圖12為例，將4種不同組成的樹脂封裝LED，發現隨著時間增長，在高功率的操作環境下，4組LED發出光亮度皆有下滑之現象，工作 400小時導致LED亮度10%～80%不等。由此可知，封裝材料的耐熱黃變性是未來應用在LED上之重要評估規格。
‧尺寸安定性變差(Dimension Stability Issue)：如上所述，高功率LED所產生的熱量很高，以傳統砲彈型發光二極體為例，內部可能升溫200oC以上，若工作起始溫度為25oC，但最後整體構裝溫度可能突破225oC，大於一般環氧樹脂之玻璃轉移溫度(130oC～150oC)，使其尺寸變異大幅增加(如圖13所示)，導致封裝材料與晶片或晶線間熱膨脹係數差異過大，隨之引起LED內部斷線或是界面脫層。
‧使用壽命下降(Lifetime Issue)：基於構裝材料劣化和尺寸安定性下滑等等因素，傳統構裝型的高功率LED較無法接受周遭環境試煉，進而縮短其工作壽命。
綜觀上述現象，可知功率增加所產生的高熱對發光二極體會產生嚴重之致命傷，所以勢必得提升封裝材料之高熱對抗性或藉改變構裝形式來導出內部熱量。以Lumiled的高功率LED來說，其構裝形式或材料便做了適當的調整來解決功率高所衍生之各項問題，詳細構裝形式如圖14所示；Lumiled將晶片黏著在導熱性較好的矽基板上，並在矽片背後加上一塊導熱銅片，將晶片產生的熱量透過基板後由銅片導出，再則於晶片上方填充柔軟的矽膠當作緩衝層，藉著應力鬆弛(stress relaxation)釋放材料間因熱膨脹係數差異所累積的應力，減少斷線或是脫層發生之可能性；另外Lumiled為了減少構裝內部所產生的熱量，則以覆晶(Flip Chip)方式將晶片固定在矽基板上來縮短導線路徑，避免了在傳統構裝中因晶線線路較長產生高熱的現象。
從發光二極體晶片周圍的組成物來看，一面是基板，另外五面皆受封裝材料環繞，所以除可利用高傳熱基板導熱外，若能增加封裝材料的導熱性，相信對LED散熱性能之提升必能立收風行草偃的效果。一般來說，有機材料之熱導係數很低，以環氧樹脂為例，其熱導係數僅為0.2W/mK，因此如何有效拉高封裝材料的導熱性實為當務之急。改善有機材料導熱性能最常用的手法為分子結構設計，添加一些電子游移能力較強的分子至其中，藉該電子提昇材料之熱導性，不過此種方式成效有限。目前另有一種利用有機/無機之混成將高導熱無機物(如AlN、BN、SiC等)混入高分子中，從而增高封裝材料熱傳導能力，惟該無機物通常不透明且分散不易，使得整體材料熱導係數增加之際，透明度會下滑。由此可知高導熱透明封裝材料開發不易，如何同時兼顧導熱與透明性為其中最重要之核心技術。
經構裝形式與材料特性改善後，高功率發光二極體所產生之熱量獲得宣洩，不致累積在發光二極體內部，相較於傳統砲彈型發光二極體200oC/W的高熱阻係數，改良後的高功率發光二極體熱阻係數下降至15oC/W；另一方面材料特性調整，將有助於其對抗高熱，避免材料或是構裝內產生缺陷，從而增加發光二極體發光效能、延長使用壽命。以Lumiled高功率發光二極體為例，在變化構裝形式與材料特性後，於同樣之操作功率下，該產品使用壽命相較於砲彈型發光二極體足足多出了6,000小時以上，足見調整高功率發光二極體構裝形式與材料特性之重要性。
自1990年日本的中村修二發明藍光發光二極體後，便開啟了LED發展之新紀元，除讓二極體發光頻譜遍布可見光外，更為白光LED奠定基礎。第一顆白光發光二極體於1996年正式問世，他的出現代表固態光源時代來臨，各國大廠無不戮力於提升白光發光二極體的發光效能與使用壽命，以期白光LED能早日取代現有照明光源(白熾燈、螢光燈等)，進而侵吞一年上百億美元的全球照明市場。
白光LED工作形式大抵分為三種，第一種是以多顆晶片(multichips)的方式將紅、藍、綠發光二極體晶片組裝在一起混色產生白光，如圖15所示；第二種則利用單一UV晶片(single chip)加上R、G、B螢光粉依配比變化混色產生白光；至於第三種則是目前市面上最多的一種，以單一藍光晶片加上黃色螢光粉，經由藍、黃混色產出白光。
儘管第一種白光發光二極體工作效率與演色性指數較高，但由於三顆晶片控制不易且構裝空間與成本增加，侷限了其應用空間。而對單顆晶片配上螢光粉之白光LED而言，構裝體積小、所需成本較低，且無線路控制問題，所以此類白光發光二極體極有潛力成為將來市場產品主流，不過現階段仍有相關技術難點亟待突破，包括了亮度不足與色彩性不佳兩大障礙，其中亮度不足的部分，解決方法類似於高亮度LED，同樣朝提昇效率或功率的方向去開發。至於色彩性不佳的問題，則分為顏色亮度不均及演色性不足兩方面，底下便針對這兩部分從構裝與封裝材料的角度加以闡述。
單晶片類型的白光發光二極體中，螢光粉分散情況會影響發光色澤與均勻性，以藍光晶片激發黃色螢光粉的白光發光二極體為例，產品時常出現光斑，導致顏色、亮度不均，其主因在於晶片周圍之螢光粉分佈不均，使其各方向的藍-黃光混色配比不一致，引發所謂的光斑；從Lumiled之研究結果中發現當晶片周遭的螢光粉分散不均時，如圖16(a)所示，白光LED各角度所發出白光色溫變化起伏甚大；反之，當螢光粉以規則型態覆蓋於晶片周圍時，如圖16(b)所示，對晶片任何角度發出的藍光而言，與之作用的螢光粉數目一定，促其色溫穩定避免白光顏色、亮度不均，由此可知如何讓螢光粉均勻的批覆在晶片發光層外圍，為白光LED構裝中之重點，而螢光粉與封裝材料的混伴均勻性更深深影響其元件之白色均一性。
白光發光二極體發展之終極目標是用作一般照明燈具，而對照明應用來說，演色性指數為極重要的評估指標，其代表之意義在於光源提供被照物色彩的能力；以現有藍光晶片搭配黃色螢光粉的白光LED來說，它是利用藍-黃混色產生白光，因此在於紅色之表現能力很差，導致被照物常會失真，而為了解決這個問題，目前有人以UV光晶片搭配R、G、B螢光粉來補足現有白光發光二極體紅色表現能力不足的缺陷，不過UV光能量強，極易破壞許多構裝材料，以封裝材料為例，當環氧樹脂受到UV光長期照射時，其結構在含氧的環境下很容易斷鍵劣化，產生發色機團導致封裝材料黃變，進而大幅影響白光LED亮度與白色均一性；而對有機封裝材料而言，相關化學基斷鍵波長與能量如表2所示；常見的化學鍵結如C-C、C=C、C-O鍵等，在UV等短波段光曝照下皆會斷鍵產生自由基(free radical)，攻擊樹脂結構造成黃變劣化，因此開發抗UV之透明性封裝材料為極具挑戰性之重要課題。
經由標的市場分析後，可知LED前景一片看好；然隨其產品種類增多，為因應更高的應用層次，市場對LED特性要求愈益嚴苛；而高亮度與白光LED為下一波新星主角，直接牽涉到台灣LED產業下世代競爭力。
針對這兩項LED重點產品，如本文所述有許多技術難點亟待克服，因此如何結合產業上中下游來改善晶片、構裝與封裝材料，進而提升發光效能與使用壽命實為刻不容緩；其中LED封裝為台灣LED產業之發源地，在構裝與封裝材料領域仍有許多空間需要著墨努力，希望我們能挹注更多研發能量戮力耕耘，以期在21世紀LED照明的領域佔有一席之地。
