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深度分析:白光LED散热与O2PERA封装技术

来源:OFweek半导体照明网发布:司徒春运点击:

 前言

  LED可以分成组件固定在2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
  提高耐紫外线特性
  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(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。
 
 
  改善加热变色性的技术
  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。
 
 
  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。
  高功率LED的散热设计
  白光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。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技术。
 
  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;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 。8(c)是应用多层技术,使陶瓷与反射器成形一体结构。
 
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。9是LED Lamp内部的热流与封装内侧理想热扩散模式。
 
 
 
  如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
  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。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。
 
 
  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热交换器,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。
  O2PERA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。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。
 
 
 
  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。
 
 
  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。
 
  
  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O2PERA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O2PERA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封装提高亮度的实例,LED芯片本身具有分布不均问题,因此尽力使用相同质量的芯片进行统计比较,本实例使用波长为589nm黄光LED,实现平均值34%左右的亮度提升效果,该值与学模拟分析结果几乎一致。
 
 
 
  图16是O2PERA-SMD封装三次元的配光特性实测例,第二次固定空间位置以配光特性上粗线表示。由于该空间造成内部反射构造呈非对称性,因此当初研究人员一度担心配光特性会出现非对称性结果,所幸的事它与镜面反射不同,扩散反射各方向的光线都会扩散,所以可以获得整体非常均匀的对称配光特性。
 
 
  结语
  以上介绍表面封装型LED用基板要求的特性、功能,以及设计上的面临的散热技术问题,同时探讨O2PERA (Optimized OutPut by Efficient Reflection Angle)光学设计技巧。
 
  目前O2PERA型SMD LED已经商品化,一般认为表面封装型LED需求持续扩大,未来具备扩散反射面的大型SMD LED,透过内部反射结构的优化设计,亮度与光束可以再提高,而且它拥有外形尺寸、配光特性与传统制品高兼容性,制作成本也完全相同,因此O2PERA型SMD LED可望拓展应用领域。

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