白光LED散熱與O2PERA封裝技術(shù)
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(2)添加防氧化劑。
(3)主劑的雙重結(jié)合，降低容易氧化的部位。
有關(guān)第(1)項，一般認為可以透過環(huán)氧樹脂與硬化劑的組合，可望獲得改善。
有關(guān)第(2)項，研究人員開始檢討防氧化劑的添加量與相性。
有關(guān)第(3)項，采用脂環(huán)式環(huán)氧樹脂，可以解決特性面的問題。
提高白色度與反射率
為了使基板白色化，必需將白色顏料添加于樹脂內(nèi)，該白色顏料的選擇會直接反映在基板的反射率，因此它是非常重的項目。適合LED基板的白色顏料必需選用「在可視光領(lǐng)域的反射率很高，即使低波長它的反射率也不會降低的材料」，二氧化鈦比較接近上述要求，其它候補材料則有氧化鋅、鋁等等。基板若添加二氧化鈦，可以提高初期白色度與反射率，缺點是熱與紫外線會使有機部份迅速變色。此外若添加填充材料，基板的剛性會提高、熱變形溫度也隨著變高，它可以提升芯片封裝時的導(dǎo)線固定性與加工時的良率。
白色積層板材料
圖5是日本業(yè)者開發(fā)的粘貼銅箔白色積層板“CS-3965H”的分光反射率。如圖所示CS-3965H的分 光反射率，從近紫外(波長420nm)開始站立，在可視光全波長領(lǐng)域達到87%。如果基板變色時，在藍光領(lǐng)域(波長450nm)的反射率會降低。
圖6是“CS-3965H”經(jīng)過加熱與紫外線照射后的藍光反射率變化特性，如圖所示CS-3965H銅箔白色積層板的變色非常低，由于CS-3965H的初期反射率很高，熱與紫外線照射后的反射率變化卻非常低，非常適用于高輝度LED的封裝。
高功率LED的散熱設(shè)計
白光LED已經(jīng)開始應(yīng)用在一般照明與汽車等領(lǐng)域，投入LED的電力也從過去數(shù)十mW提高數(shù)W等級，因此發(fā)熱問題更加表面化。
所謂熱問題是指隨著投入電力的增加，LED芯片的溫升造成光輸出降低。有效對策除了改善芯片的特性之外，搭載LED芯片的封裝材料與結(jié)構(gòu)檢討也非常重要。樹脂封裝方式是目前市場的主流，由于樹脂的熱傳導(dǎo)率很低，因此經(jīng)常成為影響熱問題的原因之一，目前常用對策是將金屬導(dǎo)入樹脂封裝結(jié)構(gòu)，或是采用高熱傳導(dǎo)率陶瓷材料。
LED高功率化必需進行以下檢討，分別是：
(1)芯片大型化
(2)大電流化
(3)芯片本身的發(fā)光效率改善
(4)高效率取光封裝結(jié)構(gòu)
其中最簡單的方法是增加電流量，使光量呈比例性增加，不過此時LED芯片產(chǎn)生的熱量會增加。圖7是電流投入LED芯片時的放射照度量測結(jié)果，如圖所示在高輸出領(lǐng)域放射照度呈飽和、衰減狀，主要原因是LED芯片發(fā)熱所致，為實現(xiàn)LED芯片高輸出化，必需進行有效的熱對策。
接著介紹應(yīng)用陶瓷特性的封裝技術(shù)。
封裝的功能
封裝主要目的是保護內(nèi)部組件，使內(nèi)部組件與外部作電氣性連接，促進發(fā)熱的內(nèi)部組件散熱。對LED芯片而言，封裝的目的是使光線高效率放射到外部，因此要求封裝材料具備高強度、高熱傳導(dǎo)性與高反射性。
陶瓷封裝的優(yōu)點
陶瓷材料幾乎網(wǎng)羅上述所有要求特性，非常適合當作LED的封裝。表2是主要陶瓷材料的物性，如表2所示陶瓷材料的耐光劣化性，與耐熱性比傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂更優(yōu)秀。
目前高散熱封裝結(jié)構(gòu)是將LED芯片固定在金屬板上周圍包覆樹脂，此時芯片材料與金屬的熱膨脹差異非常大，LED芯片封裝時與溫度變化的環(huán)境下，產(chǎn)生的熱歪斜極易引發(fā)LED芯片缺陷，造成發(fā)光效率降低、發(fā)熱等問題，隨著芯片大型化，未來熱歪斜勢必更嚴重。陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)接近LED芯片，因此陶瓷被認為是解決熱歪斜最有效的材料之一。
封裝結(jié)構(gòu)
照片1是高輸出LED用陶瓷封裝的實際外觀；圖8是陶瓷封裝的構(gòu)造范例，圖中的反射器電鍍銀膜，可以提高光照射效率 。圖8(c)是應(yīng)用多層技術(shù)，使陶瓷與反射器成形一體結(jié)構(gòu)。
為了使發(fā)熱的LED芯片正常動作，必需考慮適當?shù)纳嵯到y(tǒng)，這意味著封裝已經(jīng)成為散熱組件的一部份。接著介紹有關(guān)散熱的處理方式。
封裝與散熱基板的功能
散熱設(shè)計必需考慮如何使LED芯片產(chǎn)生的熱透過筐體釋放到外部。圖9是LED Lamp內(nèi)部的熱流與封裝內(nèi)側(cè)理想熱擴散模式。
如圖9右側(cè)實線所示，高熱擴散性封裝的內(nèi)側(cè)(P~Q之間)溫度分布非常平坦，熱可以擴散至封裝整體，而且還非常順暢流入封裝基板內(nèi)，因此LED芯片正下方的溫度大幅下降。
圖10是利用熱模擬分析確認該狀態(tài)獲得的結(jié)果，該圖表示定常狀態(tài)溫度分布，與單位面積時的單位時間流動的熱量，亦即熱流束的分布狀況。由圖可知使用高熱傳導(dǎo)材料的場合，封裝內(nèi)部的溫差會變小，此時并未發(fā)現(xiàn)熱流集中在局部，封裝內(nèi)部的熱擴散性因而大幅提高。
陶瓷是由鋁或是氮化鋁制成，若與目前常用的封裝材料環(huán)氧樹脂比較，鋁質(zhì)陶瓷的熱傳導(dǎo)率是環(huán)氧樹脂的55倍，氮化鋁陶瓷的熱傳導(dǎo)率是環(huán)氧樹脂的400倍。此外金屬板的熱傳導(dǎo)率大約是200W/mK，鋁的熱傳導(dǎo)率大約是400W/mK左右，要求高熱傳導(dǎo)率的封裝，大多使用金屬作base。
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