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白光LED散热与O2PERA封装技术

作者: 时间:2011-11-01 来源:网络 收藏
=left>  (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。
白光LED散热与O2PERA封装技术
  图6是“CS-3965H”经过加热与紫外线照射后的蓝光反射率变化特性,如图所示CS-3965H铜箔白色积层板的变色非常低,由于CS-3965H的初期反射率很高,热与紫外线照射后的反射率变化却非常低,非常适用于高辉度LED的封装。
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功率LED的散热设计
LED已经开始应用在一般照明与汽车等领域,投入LED的电力也从过去数十mW提高数W等级,因此发热问题更加表面化。
  所谓热问题是指随着投入电力的增加,LED芯片的温升造成光输出降低。有效对策除了改善芯片的特性之外,搭载LED芯片的封装材料与结构检讨也非常重要。树脂封装方式是目前市场的主流,由于树脂的热传导率很低,因此经常成为影响热问题的原因之一,目前常用对策是将金属导入树脂封装结构,或是采用高热传导率陶瓷材料。
  LED高功率化必需进行以下检讨,分别是:
  (1)芯片大型化
  (2)大电流化
  (3)芯片本身的发光效率改善
  (4)高效率取光封装结构
  其中最简单的方法是增加电流量,使光量呈比例性增加,不过此时LED芯片产生的热量会增加。图7是电流投入LED芯片时的放射照度量测结果,如图所示在高输出领域放射照度呈饱和、衰减状,主要原因是LED芯片发热所致,为实现LED芯片高输出化,必需进行有效的热对策。
  接着介绍应用陶瓷特性的
  封装的功能
  封装主要目的是保护内部组件,使内部组件与外部作电气性连接,促进发热的内部组件散热。对LED芯片而言,封装的目的是使光线高效率放射到外部,因此要求封装材料具备高强度、高热传导性与高反射性。
  陶瓷封装的优点
  陶瓷材料几乎网罗上述所有要求特性,非常适合当作LED的封装。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,与耐热性比传统环氧树脂更优秀。
  目前高散热封装结构是将LED芯片固定在金属板上周围包覆树脂,此时芯片材料与金属的热膨胀差异非常大,LED芯片封装时与温度变化的环境下,产生的热歪斜极易引发LED芯片缺陷,造成发光效率降低、发热等问题,随着芯片大型化,未来热歪斜势必更严重。陶瓷材料的热膨胀系数接近LED芯片,因此陶瓷被认为是解决热歪斜最有效的材料之一。
  封装结构
  照片1是高输出LED用陶瓷封装的实际外观;图8是陶瓷封装的构造范例,图中的反射器电镀银膜,可以提高光照射效率 。图8(c)是应用多层技术,使陶瓷与反射器成形一体结构。
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陶瓷封装结构
  为了使发热的LED芯片正常动作,必需考虑适当的散热系统,这意味着封装已经成为散热组件的一部份。接着介绍有关散热的处理方式。
封装与散热基板的功能
  散热设计必需考虑如何使LED芯片产生的热透过筐体释放到外部。图9是LED Lamp内部的热流与封装内侧理想热扩散模式。
白光LED散热与O2PERA封装技术
  如图9右侧实线所示,高热扩散性封装的内侧(P~Q之间)温度分布非常平坦,热可以扩散至封装整体,而且还非常顺畅流入封装基板内,因此LED芯片正下方的温度大幅下降。
  图10是利用热模拟分析确认该状态获得的结果,该图表示定常状态温度分布,与单位面积时的单位时间流动的热量,亦即热流束的分布状况。由图可知使用高热传导材料的场合,封装内部的温差会变小,此时并未发现热流集中在局部,封装内部的热扩散性因而大幅提高。
热传导率差异封装
  陶瓷是由铝或是氮化铝制成,若与目前常用的封装材料环氧树脂比较,铝质陶瓷的热传导率是环氧树脂的55倍,氮化铝陶瓷的热传导率是环氧树脂的400倍。此外金属板的热传导率大约是200W/mK,铝的热传导率大约是400W/mK左右,要求高热传导率的封装,大多使用金属作base。
LED芯片接合剂的功能

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