深度分析白光LED的散熱技術(shù)（一）

　　LED可以分成組件固定在兩條平行導(dǎo)線上，包覆樹脂密封成炮彈型，以及LED組件直接固定在印刷導(dǎo)線基板上，再用樹脂密封成表面封裝型兩種。

　　炮彈型的樹脂密封不具備鏡片功能，比較容易控制集光與集束；表面封裝型直接將LED組件固定在基板上，適合高密度封裝，雖然小型、輕量、薄型化比較有利，不過輝度卻比炮彈型低，必需使用反射器才能達(dá)成高輝度化要求；表面封裝型主要應(yīng)用在照明與液晶顯示器的背光模塊等領(lǐng)域。

　　本文要以表面封裝型LED為焦點，介紹表面封裝用基板要求的特性、功能，以及設(shè)計上的經(jīng)常面臨的散熱技術(shù)問題，同時探討O2PERA（Optimized OutPut by Efficient Reflection Angle）的光學(xué)設(shè)計技巧。

　　封裝基板的功能

　　表面封裝型的LED芯片通常只有米粒左右大小，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是將發(fā)光組件封裝在印刷基板的電極上，再包覆樹脂密封。

　　制造LED芯片時印刷基板的功能之一，是將半導(dǎo)體device組件化，另外一個功能是讓組件產(chǎn)生的放射光高效率在前面反射，藉此提高LED的效率。

　　為提高LED組件的發(fā)光效率，基板側(cè)放射的光線高效率反射也非常重要，所以要求高反射率的基板。印刷基板鍍金或是鍍銀可以提高反射率，不過鍍金時類似藍(lán)光領(lǐng)域低波長光的反射率很低，鍍銀時有長期耐久性偏低的問題，因此研究人員檢討使用LED用白色基板。

　　LED用白色基板要求400~ 750nm，可視光全波長領(lǐng)域具備均勻高反射率，反射率的波長相關(guān)性很強(qiáng)時，LED芯片設(shè)計上會變成與設(shè)計波長相異的光源，因此要求在可視光全波長領(lǐng)域具備均勻的反射率。

白色基板的性能與特性

　　性能要求

　　表1是白光LED的發(fā)光機(jī)制一覽，它可以分成4大類。如表所示成為白光LED的原光波長，全部偏向藍(lán)光與近紫外低波長側(cè)。一般類似環(huán)氧樹脂基板的有機(jī)材料，紫外線等高能量光是最大敵人，光劣化極易造成環(huán)氧樹脂變色，樹脂的劣化使得可視光波長領(lǐng)域的反射率降低，外觀上形成略帶黃色，嚴(yán)重時甚至?xí)兂刹枭珇灰色色調(diào)。

　　基板變色除了高能量光之外，熱也是促進(jìn)變色的原因之一，熱會促進(jìn)類似光劣化時的茶色系色調(diào)變色。此外在LED制程上銀膠以及金－錫接合時，基板會被加熱到150~320℃，接著還需面臨260℃的reflow高熱。雖然芯片狀LED一直到裝設(shè)在電子機(jī)器為止的熱履歷只有數(shù)秒~30秒，不過它必需在200℃左右的環(huán)境進(jìn)出3~5次，基板受到該熱履歷影響加速變色，因此基板的熱耐變色性非常重要，尤其是近年高輝度LED組件的發(fā)熱非常大，動作時芯片溫度經(jīng)常超過100℃，造成基板曝露在100℃高溫紫外光與藍(lán)光環(huán)境下。

　　基板一旦變色，LED的輝度降低，從基板反射的反射光出現(xiàn)色調(diào)變化，其結(jié)果導(dǎo)致制品壽命變短，因此LED用白色基板要求高反射率與低藍(lán)光/紫外光樹脂劣化特性，即使受熱也不會變色等特性。

　　基板的機(jī)械特性要求

　　基板的機(jī)械特性與LED的壽命無直接關(guān)系，而是涉及基板厚度精度與鉆孔等加工性等技術(shù)性課題。例如加工基板sheet（大約100×150mm）表面同時進(jìn)行數(shù)百個以上封裝、樹脂密封等工程時，基板sheet加工分別利用鉆頭鉆床、銑床（Router）、模具沖拔加工，鉆頭加工與銑床加工時，鉆頭（Bit）的壽命與加工端面的毛邊會成為問題，鉆頭的磨耗則與基板制作成本有直接關(guān)連，因此要求低鉆頭磨耗性的基板。此外，加工時發(fā)生的毛邊會影響制品的良率，成為成本上升的主要原因，因此要求不會發(fā)生毛邊，加工時能夠抑制成本的基板材料。

　　組件的樹脂密封使用注型與轉(zhuǎn)寫成型技術(shù)，基板的厚度精度太差時，樹脂密封工程時模具與基板之間會出現(xiàn)間隙，進(jìn)而導(dǎo)致密封樹脂泄漏等問題，直接影響制品的良率，其結(jié)果反映在成本，因此板厚精度成為重要的特性之一。
提高耐候性、耐變色、反射率的技術(shù)　　

改善加熱變色性的方法，分別如下：

　　(1)提高樹脂的耐熱性(提高玻璃轉(zhuǎn)移點的溫度)。

　　(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(rèn)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(bǔ)材料則有氧化鋅、鋁等等?；迦籼砑佣趸?，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(jī)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(dá)到87%。如果基板變色時，在藍(lán)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(lán)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。

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