白光LED散热与O2PERA封装技术,你学会了吗？

 

　　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，基本结构如图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。

 

 

 

 

　　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(图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。

 

 

 

　　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。

 

 

　　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。