深度分析白光LED的散热技术（一）

作者：时间：2013-05-12来源：网络收藏

前言

　　LED可以分成组件固定在两条平行导线上，包覆树脂密封成炮弹型，以及LED组件直接固定在印刷导线基板上，再用树脂密封成表面封装型两种。

　　炮弹型的树脂密封不具备镜片功能，比较容易控制集光与集束；表面封装型直接将LED组件固定在基板上，适合高密度封装，虽然小型、轻量、薄型化比较有利，不过辉度却比炮弹型低，必需使用反射器才能达成高辉度化要求；表面封装型主要应用在照明与液晶显示器的背光模块等领域。

　　本文要以表面封装型LED为焦点，介绍表面封装用基板要求的特性、功能，以及设计上的经常面临的散热技术问题，同时探讨O2PERA（Optimized OutPut by Efficient Reflection Angle）的光学设计技巧。

　　封装基板的功能

　　表面封装型的LED芯片通常只有米粒左右大小，基本结构如图1所示，它是将发光组件封装在印刷基板的电极上，再包覆树脂密封。

　　 LED芯片

　　制造LED芯片时印刷基板的功能之一，是将半导体device组件化，另外一个功能是让组件产生的放射光高效率在前面反射，藉此提高LED的效率。

　　为提高LED组件的发光效率，基板侧放射的光线高效率反射也非常重要，所以要求高反射率的基板。印刷基板镀金或是镀银可以提高反射率，不过镀金时类似蓝光领域低波长光的反射率很低，镀银时有长期耐久性偏低的问题，因此研究人员检讨使用LED用白色基板。

　　LED用白色基板要求400~ 750nm，可视光全波长领域具备均匀高反射率，反射率的波长相关性很强时，LED芯片设计上会变成与设计波长相异的光源，因此要求在可视光全波长领域具备均匀的反射率。

白色基板的性能与特性

　　性能要求

　　表1是白光LED的发光机制一览，它可以分成4大类。如表所示成为白光LED的原光波长，全部偏向蓝光与近紫外低波长侧。一般类似环氧树脂基板的有机材料，紫外线等高能量光是最大敌人，光劣化极易造成环氧树脂变色，树脂的劣化使得可视光波长领域的反射率降低，外观上形成略带黄色，严重时甚至会变成茶色~灰色色调。

　　白光LED发光机制

　　基板变色除了高能量光之外，热也是促进变色的原因之一，热会促进类似光劣化时的茶色系色调变色。此外在LED制程上银胶以及金－锡接合时，基板会被加热到150~320℃，接着还需面临260℃的reflow高热。虽然芯片状LED一直到装设在电子机器为止的热履历只有数秒~30秒，不过它必需在200℃左右的环境进出3~5次，基板受到该热履历影响加速变色，因此基板的热耐变色性非常重要，尤其是近年高辉度LED组件的发热非常大，动作时芯片温度经常超过100℃，造成基板曝露在100℃高温紫外光与蓝光环境下。

　　基板一旦变色，LED的辉度降低，从基板反射的反射光出现色调变化，其结果导致制品寿命变短，因此LED用白色基板要求高反射率与低蓝光/紫外光树脂劣化特性，即使受热也不会变色等特性。

　　基板的机械特性要求

　　基板的机械特性与LED的寿命无直接关系，而是涉及基板厚度精度与钻孔等加工性等技术性课题。例如加工基板sheet（大约100×150mm）表面同时进行数百个以上封装、树脂密封等工程时，基板sheet加工分别利用钻头钻床、铣床（Router）、模具冲拔加工，钻头加工与铣床加工时，钻头（Bit）的寿命与加工端面的毛边会成为问题，钻头的磨耗则与基板制作成本有直接关连，因此要求低钻头磨耗性的基板。此外，加工时发生的毛边会影响制品的良率，成为成本上升的主要原因，因此要求不会发生毛边，加工时能够抑制成本的基板材料。

　　组件的树脂密封使用注型与转写成型技术，基板的厚度精度太差时，树脂密封工程时模具与基板之间会出现间隙，进而导致密封树脂泄漏等问题，直接影响制品的良率，其结果反映在成本，因此板厚精度成为重要的特性之一。
提高耐候性、耐变色、反射率的技术　　

　　类似陶瓷等无机材料，不会因为加热与光线造成劣化、变色，它是非常优秀的材料，不过综合考虑基板、密封树脂、成本等问题时，环氧树脂至今还是成为广泛被采用封装材料，特别是环氧树脂硬化时不会产生副生成物，硬化后具备优秀的电气、力学、耐热性等许多特征。此外主剂与硬化剂可以依照预期的特性设计作任意组合。

　　印刷导线基板材料亦即贴铜积层板，它是混合“Bisphenol A的Glycidyl ether型”、“Novolac的Glycidyl ether型”环氧树脂等主剂，再与“Dicyandiamide”、“Novolac”等硬化剂混合，经过含浸Glass cross制程后干燥，再与铜箔组合积层、加压、加热，制成所谓的“贴铜积层板”。图2是一般环氧树脂的化学结构；图3是积层板的制造流程。

　　如众所周知环氧树脂不适合当作LED的基板材料，主要原因是环氧树脂拥有容易吸收紫外线的Allele结构(图2)，Allele结构一旦受热会劣化、着色，没有Allele结构的环氧树脂种类繁多，脂环式环氧树脂是典型代表。

　　图4是脂环式环氧树脂的化学结构，目前脂环式环氧树脂已经成为高辉度用LED密封材料，脂环式环氧树脂具备高耐旋光性，反面缺点是耐热性较低，脂环式环氧树脂若应用在积层板时，可以形成高耐紫外线材料，不过受限于低反应性与黏度等问题，制造上还有许多技术性课题有待解决。

改善加热变色性的方法，分别如下：

　　(1)提高树脂的耐热性(提高玻璃转移点的温度)。

　　(2)添加防氧化剂。

　　(3)主剂的双重结合，降低容易氧化的部位。

　　有关第(1)项，一般认为可以透过环氧树脂与硬化剂的组合，可望获得改善。

　　有关第(2)项，研究人员开始检讨防氧化剂的添加量与相性。

　　有关第(3)项，采用脂环式环氧树脂，可以解决特性面的问题。

　　提高白色度与反射率

　　为了使基板白色化，必需将白色颜料添加于树脂内，该白色颜料的选择会直接反映在基板的反射率，因此它是非常重的项目。适合LED基板的白色颜料必需选用「在可视光领域的反射率很高，即使低波长它的反射率也不会降低的材料」，二氧化钛比较接近上述要求，其它候补材料则有氧化锌、铝等等。基板若添加二氧化钛，可以提高初期白色度与反射率，缺点是热与紫外线会使有机部份迅速变色。此外若添加填充材料，基板的刚性会提高、热变形温度也随着变高，它可以提升芯片封装时的导线固定性与加工时的良率。

　　白色积层板材料

　　图5是日本业者开发的粘贴铜箔白色积层板“CS-3965H”的分光反射率。如图所示CS-3965H的分光反射率，从近紫外(波长420nm)开始站立，在可视光全波长领域达到87%。如果基板变色时，在蓝光领域(波长450nm)的反射率会降低。