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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
lor=#000000>  半导体芯片接合剂使用的材料有环氧系、玻璃、焊锡、金共晶合金等等。LED芯片用接合剂除了高热传导性之外,基于接合时降低热应力等观点,要求低温接合、低杨氏系数等特性,符合要求的在环氧系有“添加银的环氧树脂”,共晶合金则有“Au -20% Sn”等等。
  接合剂附着在芯片周围的面积几乎与LED芯片相同 ,而且无法期待水平方向的热扩散,只能期望垂直方向的热传导性。图11是LED芯片至封装背面的温度差热仿真分析的结果,如图所示封装使用氮化铝陶瓷基板,与接合部温度差,以及热传导性比添加银的环氧树脂还低的Au-Sn接合剂。
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  由于Au-Sn薄层化可以降低接合部的温度差,同时有效促进热的流动,因此业界普遍认为未来散热设计,势必要求接合剂必需具备高热传导性,与可以作薄层化接合等基本特性。
  今后散热设计与封装构造
  随着散热设计的进化,LED组件厂商的研究人员开始检讨LED Lamp至筐体的热传导,以及筐体至外部的热传导可行性;组件应用厂商与照明灯具厂商则应用实验与模拟分析进行对策研究。
  有关热传导材料,封装材料正逐渐从树脂切换成金属与陶瓷材料。此外LED芯片接合部是阻碍散热的要因之一,因此上述薄形接合技术被视为今后检讨课题之一。
  有关提高筐体至外部的热传导,目前大多利用冷却风扇与散热鳍片达成散热要求。不过基于噪音对策与窄空间化等考虑,照明灯具厂商大都不愿意使用,因此必需提高与外部接触面非常多的封装基板与筐体的散热性,具体方法例如利用远红外线在高热传导性铜层表面,形成可以促进热放射涂抹层的可挠曲散热膜片(film)。
  根据测试结果证实可挠曲散热膜片的散热效果,比大小接近膜片的散热鳍片更高,因此研究人员检讨直接将可挠曲散热膜片黏贴在封装基板与筐体,或是将可以促进热放射涂抹层,直接设置在装基板与筐体表面,试图藉此提高散热效果。
  有关封装结构,必需开发可以支持LED芯片磊晶(flip chip)接合的微细布线技术;有关封装材料,虽然氮化铝的高热传导化有相当进展,不过它与反射率有trade-off关系,一般认提高热传导性比氮化铝差的铝的反射特性,可以支持LED高输出化需要,未来可望成为封装材料之一。
结构的SMD-LED设计
  如上所述LED的封装从光学构造观点而言,可以分成两种型式分别是:
  (1)整体由透明树脂构成(炮弹型、Piranha型)。
  (2)利用高反射白色树脂包覆的表面封装型(SMD: Surface Mount Device)。
  (3)使用金属的镜面反射面型。
  近年基于可靠性、成本、组装作业性等考虑,第(2)项的SMD型的应用大幅增加。图12(a)是SMD型LED的封装结构,如图所示它是由白色高扩散反射材料制成的筐体,与金属导线架构成凹状结构,LED芯片透过Mount与Wire Bonding,固定在该凹状结构底部上方的导线架,凹状结构则包覆透明环氧树脂。
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  传统内部反射结构为了确保Mount与Wire Bonding作业空间,使得使用白色高扩散反射材料的反射器无法作优化设计。
  光线从表面平坦透明材料透过空气的光取出效率可以利用图13作说明。对折射率n>1的环氧树脂等透明材料,与折射率n=1的空气界面而言,从透明材料入射的光线,它的入射角比临界角ψc(从法线的角度)更大时,入射光会全反射再折返透明材料侧,入射角比临界角ψc更小的光线,会以部份入射能量反射折返,其它则通过空气侧,如果换成三次元方式,顶角为ψc时只有碗杯内侧的光线可以取出至外部。
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 图14(a)是传统SMD封装的断面图,如图所示从LED芯片取出朝碗杯内直接放射的光线(光线1)可以穿透空气侧,不过碗杯外的直接放射光线(光线2,3)不是过碰到白色树脂的扩散反射面,就是在空气与环氧树脂之间的界面全反射。
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  理论上内部结构的反射率为100%,透明树脂的吸收应该是零 ,如果忽略芯片的吸收 ,无限次反复进行反射 ,从封装的光取出效率也应该是100%,然而实际上透明树脂会吸收,反射率也不可能100%,加上导线架的加工面与芯片旁的银胶表面反射率都不尽理想,因此要提高封装的光取出效率,尽量以少次数高效率反射成为重要课题。
  此处针对碰撞到白色树脂反射面的光线进行探讨。一次的扩散反射只能取出碗杯内侧的反射成份,此时碗杯整体可以充分应用的反射面角度,比水平面测定的临界角θc(=90°-ψc)更小。此处假设透明环氧树脂的折射率为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就可以有效应用碗杯内的光线,大幅改善光取出效率,以上是结构的基本动作原理。
  如上所述传统SMD型LED的封装,基于导线与芯片固定作业性考虑,内部结构具备充分的空间裕度,  其结果反而造成芯片周围的金属导线架大幅露出,扩散反射面的角度则高达70°愤D常陡峭,该结构下的扩散反射面本身的面积非常少,碗杯只有一半面积可以应用。
  此外金属导线架的反射率与表面材质、加工程度有依存关系,然而基于成本考虑无法作镜面加工,使得传统SMD型LED的封装内部结构一直未被优化,结果造成光取出效率遭受具大折损。因此研究人员应用技术开发SMD型LED。
O2PERA型SMD LED优先维持与传统SMD型LED封装的互换性,设计上未改变外形尺寸,只缓和内部扩散反射面的角度,因此实际上即使受到外形尺寸与LED芯片大小Die bonding的限制,O2PERA仍然可以实现比490临界角更小的反射面角度。不过内侧的全反射面整体的角度一旦缓和时,wire bond(second)的空间有消失之虞,所以设计上必需预留最小wire bonding空间,在狭窄位置精密控制wire bond用capillary,是实现O2PERA型SMD LED的关键技术。
  实际上考虑封装材料的反射率、穿透率以及wire bonding空间,依此进行光学仿真分析,证实可以提高30%左右的亮度与光束。如上所述采用不同于传统固定观念,配合光学设计与精密的生产技术,可以提高SMD型LED的光取出效率。
  图15是利用O2PERA-SMD

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