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白光LED散熱與O2PERA封裝技術(shù)

作者: 時間:2011-11-01 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
lor=#000000>  半導(dǎo)體芯片接合劑使用的材料有環(huán)氧系、玻璃、焊錫、金共晶合金等等。LED芯片用接合劑除了高熱傳導(dǎo)性之外,基于接合時降低熱應(yīng)力等觀點,要求低溫接合、低楊氏系數(shù)等特性,符合要求的在環(huán)氧系有“添加銀的環(huán)氧樹脂”,共晶合金則有“Au -20% Sn”等等。
  接合劑附著在芯片周圍的面積幾乎與LED芯片相同 ,而且無法期待水平方向的熱擴散,只能期望垂直方向的熱傳導(dǎo)性。圖11是LED芯片至封裝背面的溫度差熱仿真分析的結(jié)果,如圖所示封裝使用氮化鋁陶瓷基板,與接合部溫度差,以及熱傳導(dǎo)性比添加銀的環(huán)氧樹脂還低的Au-Sn接合劑。
白光LED散熱與O2PERA封裝技術(shù)
  由于Au-Sn薄層化可以降低接合部的溫度差,同時有效促進(jìn)熱的流動,因此業(yè)界普遍認(rèn)為未來散熱設(shè)計,勢必要求接合劑必需具備高熱傳導(dǎo)性,與可以作薄層化接合等基本特性。
  今后散熱設(shè)計與封裝構(gòu)造
  隨著散熱設(shè)計的進(jìn)化,LED組件廠商的研究人員開始檢討LED Lamp至筐體的熱傳導(dǎo),以及筐體至外部的熱傳導(dǎo)可行性;組件應(yīng)用廠商與照明燈具廠商則應(yīng)用實驗與模擬分析進(jìn)行對策研究。
  有關(guān)熱傳導(dǎo)材料,封裝材料正逐漸從樹脂切換成金屬與陶瓷材料。此外LED芯片接合部是阻礙散熱的要因之一,因此上述薄形接合技術(shù)被視為今后檢討課題之一。
  有關(guān)提高筐體至外部的熱傳導(dǎo),目前大多利用冷卻風(fēng)扇與散熱鰭片達(dá)成散熱要求。不過基于噪音對策與窄空間化等考慮,照明燈具廠商大都不愿意使用,因此必需提高與外部接觸面非常多的封裝基板與筐體的散熱性,具體方法例如利用遠(yuǎn)紅外線在高熱傳導(dǎo)性銅層表面,形成可以促進(jìn)熱放射涂抹層的可撓曲散熱膜片(film)。
  根據(jù)測試結(jié)果證實可撓曲散熱膜片的散熱效果,比大小接近膜片的散熱鰭片更高,因此研究人員檢討直接將可撓曲散熱膜片黏貼在封裝基板與筐體,或是將可以促進(jìn)熱放射涂抹層,直接設(shè)置在裝基板與筐體表面,試圖藉此提高散熱效果。
  有關(guān)封裝結(jié)構(gòu),必需開發(fā)可以支持LED芯片磊晶(flip chip)接合的微細(xì)布線技術(shù);有關(guān)封裝材料,雖然氮化鋁的高熱傳導(dǎo)化有相當(dāng)進(jìn)展,不過它與反射率有trade-off關(guān)系,一般認(rèn)提高熱傳導(dǎo)性比氮化鋁差的鋁的反射特性,可以支持LED高輸出化需要,未來可望成為封裝材料之一。
結(jié)構(gòu)的SMD-LED設(shè)計
  如上所述LED的封裝從光學(xué)構(gòu)造觀點而言,可以分成兩種型式分別是:
  (1)整體由透明樹脂構(gòu)成(炮彈型、Piranha型)。
  (2)利用高反射白色樹脂包覆的表面封裝型(SMD: Surface Mount Device)。
  (3)使用金屬的鏡面反射面型。
  近年基于可靠性、成本、組裝作業(yè)性等考慮,第(2)項的SMD型的應(yīng)用大幅增加。圖12(a)是SMD型LED的封裝結(jié)構(gòu),如圖所示它是由白色高擴散反射材料制成的筐體,與金屬導(dǎo)線架構(gòu)成凹狀結(jié)構(gòu),LED芯片透過Mount與Wire Bonding,固定在該凹狀結(jié)構(gòu)底部上方的導(dǎo)線架,凹狀結(jié)構(gòu)則包覆透明環(huán)氧樹脂。
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  傳統(tǒng)內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)為了確保Mount與Wire Bonding作業(yè)空間,使得使用白色高擴散反射材料的反射器無法作優(yōu)化設(shè)計。
  光線從表面平坦透明材料透過空氣的光取出效率可以利用圖13作說明。對折射率n>1的環(huán)氧樹脂等透明材料,與折射率n=1的空氣界面而言,從透明材料入射的光線,它的入射角比臨界角ψc(從法線的角度)更大時,入射光會全反射再折返透明材料側(cè),入射角比臨界角ψc更小的光線,會以部份入射能量反射折返,其它則通過空氣側(cè),如果換成三次元方式,頂角為ψc時只有碗杯內(nèi)側(cè)的光線可以取出至外部。
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 圖14(a)是傳統(tǒng)SMD封裝的斷面圖,如圖所示從LED芯片取出朝碗杯內(nèi)直接放射的光線(光線1)可以穿透空氣側(cè),不過碗杯外的直接放射光線(光線2,3)不是過碰到白色樹脂的擴散反射面,就是在空氣與環(huán)氧樹脂之間的界面全反射。
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  理論上內(nèi)部結(jié)構(gòu)的反射率為100%,透明樹脂的吸收應(yīng)該是零 ,如果忽略芯片的吸收 ,無限次反復(fù)進(jìn)行反射 ,從封裝的光取出效率也應(yīng)該是100%,然而實際上透明樹脂會吸收,反射率也不可能100%,加上導(dǎo)線架的加工面與芯片旁的銀膠表面反射率都不盡理想,因此要提高封裝的光取出效率,盡量以少次數(shù)高效率反射成為重要課題。
  此處針對碰撞到白色樹脂反射面的光線進(jìn)行探討。一次的擴散反射只能取出碗杯內(nèi)側(cè)的反射成份,此時碗杯整體可以充分應(yīng)用的反射面角度,比水平面測定的臨界角θc(=90°-ψc)更小。此處假設(shè)透明環(huán)氧樹脂的折射率為1.53,θc= cos-1 (1/1.53)=49°戚A亦即反射面的角度低于49°戮氶A就可以有效應(yīng)用碗杯內(nèi)的光線,大幅改善光取出效率,以上是結(jié)構(gòu)的基本動作原理。
  如上所述傳統(tǒng)SMD型LED的封裝,基于導(dǎo)線與芯片固定作業(yè)性考慮,內(nèi)部結(jié)構(gòu)具備充分的空間裕度,  其結(jié)果反而造成芯片周圍的金屬導(dǎo)線架大幅露出,擴散反射面的角度則高達(dá)70°憤D常陡峭,該結(jié)構(gòu)下的擴散反射面本身的面積非常少,碗杯只有一半面積可以應(yīng)用。
  此外金屬導(dǎo)線架的反射率與表面材質(zhì)、加工程度有依存關(guān)系,然而基于成本考慮無法作鏡面加工,使得傳統(tǒng)SMD型LED的封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)一直未被優(yōu)化,結(jié)果造成光取出效率遭受具大折損。因此研究人員應(yīng)用技術(shù)開發(fā)SMD型LED。
O2PERA型SMD LED優(yōu)先維持與傳統(tǒng)SMD型LED封裝的互換性,設(shè)計上未改變外形尺寸,只緩和內(nèi)部擴散反射面的角度,因此實際上即使受到外形尺寸與LED芯片大小Die bonding的限制,O2PERA仍然可以實現(xiàn)比490臨界角更小的反射面角度。不過內(nèi)側(cè)的全反射面整體的角度一旦緩和時,wire bond(second)的空間有消失之虞,所以設(shè)計上必需預(yù)留最小wire bonding空間,在狹窄位置精密控制wire bond用capillary,是實現(xiàn)O2PERA型SMD LED的關(guān)鍵技術(shù)。
  實際上考慮封裝材料的反射率、穿透率以及wire bonding空間,依此進(jìn)行光學(xué)仿真分析,證實可以提高30%左右的亮度與光束。如上所述采用不同于傳統(tǒng)固定觀念,配合光學(xué)設(shè)計與精密的生產(chǎn)技術(shù),可以提高SMD型LED的光取出效率。
  圖15是利用O2PERA-SMD

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