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白光LED散熱與O2PERA封裝技術(shù)

作者： 時(shí)間：2011-11-01 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏
　　前言
　　led可以分成組件固定在2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(diǎn)，介紹表面封裝用基板要求的特性、功能，以及設(shè)計(jì)上的經(jīng)常面臨的散熱技術(shù)問題，同時(shí)探討O2PERA(Optimized OutPut by Efficient Reflection Angle)的光學(xué)設(shè)計(jì)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。
LED芯片
　　制造LED芯片時(shí)印刷基板的功能之一，是將半導(dǎo)體device組件化，另外一個(gè)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(shí)類似藍(lán)光領(lǐng)域低波長光的反射率很低，鍍銀時(shí)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(shí)，LED芯片設(shè)計(jì)上會變成與設(shè)計(jì)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(shí)甚至?xí)兂刹枭珇灰色色調(diào)。
白光LED發(fā)光機(jī)制
　　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(shí)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(shí)，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(dòng)作時(shí)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(shí)進(jìn)行數(shù)百個(gè)以上封裝、樹脂密封等工程時(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)，樹脂密封工程時(shí)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)
　　提高耐紫外線特性
　　類似陶瓷等無機(jī)材料，不會因?yàn)榧訜崤c光線造成劣化、變色，它是非常優(yōu)秀的材料，不過綜合考慮基板、密封樹脂、成本等問題時(shí)，環(huán)氧樹脂至今還是成為廣泛被采用封裝材料，特別是環(huán)氧樹脂硬化時(shí)不會產(chǎn)生副生成物，硬化后具備優(yōu)秀的電氣、力學(xué)、耐熱性等許多特征。此外主劑與硬化劑可以依照預(yù)期的特性設(shè)計(jì)作任意組合。
　　印刷導(dǎo)線基板材料亦即貼銅積層板，它是混合“Bisphenol A的Glycidyl ether型”、“Novolac的Glycidyl ether型”環(huán)氧樹脂等主劑，再與“Dicyandiamide”、“Novolac”等硬化劑混合，經(jīng)過含浸Glass cross制程后干燥，再與銅箔組合積層、加壓、加熱，制成所謂的“貼銅積層板”。圖2是一般環(huán)氧樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)；圖3是積層板的制造流程。
白光LED散熱與O2PERA封裝技術(shù)
白光LED散熱與O2PERA封裝技術(shù)
　　如眾所周知環(huán)氧樹脂不適合當(dāng)作LED的基板材料，主要原因是環(huán)氧樹脂擁有容易吸收紫外線的AllELe結(jié)構(gòu)(圖2)，Allele結(jié)構(gòu)一旦受熱會劣化、著色，沒有Allele結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂種類繁多，脂環(huán)式環(huán)氧樹脂是典型代表。
　　圖4是脂環(huán)式環(huán)氧樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)，目前脂環(huán)式環(huán)氧樹脂已經(jīng)成為高輝度用LED密封材料，脂環(huán)式環(huán)氧樹脂具備高耐旋光性，反面缺點(diǎn)是耐熱性較低，脂環(huán)式環(huán)氧樹脂若應(yīng)用在積層板時(shí)，可以形成高耐紫外線材料，不過受限于低反應(yīng)性與黏度等問題，制造上還有許多技術(shù)性課題有待解決。
白光LED散熱與O2PERA封裝技術(shù)
改善加熱變色性的技術(shù)
　　改善加熱變色性的方法，分別如下：
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