前言

　　LED可以分成組件固定在兩條平行導線上，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成高輝度化要求；表面封裝型主要應用在照明與液晶顯示器的背光模塊等領域。

　　本文要以表面封裝型LED為焦點，介紹表面封裝用基板要求的特性、功能，以及設計上的經常面臨的散熱技術問題，同時探討O2PERA（Optimized OutPut by Efficient Reflection Angle）的光學設計技巧。

　　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，基本結構如圖1所示，它是將發光組件封裝在印刷基板的電極上，再包覆樹脂密封。

　　制造LED芯片時印刷基板的功能之一，是將半導體device組件化，另外一個功能是讓組件產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組件的發光效率，基板側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，不過鍍金時類似藍光領域低波長光的反射率很低，鍍銀時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，可視光全波長領域具備均勻高反射率，反射率的波長相關性很強時，LED芯片設計上會變成與設計波長相異的光源，因此要求在可視光全波長領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的發光機制一覽，它可以分成4大類。如表所示成為白光LED的原光波長，全部偏向藍光與近紫外低波長側。一般類似環氧樹脂基板的有機材料，紫外線等高能量光是最大敵人，光劣化極易造成環氧樹脂變色，樹脂的劣化使得可視光波長領域的反射率降低，外觀上形成略帶黃色，嚴重時甚至會變成茶色~灰色色調。

　　基板變色除了高能量光之外，熱也是促進變色的原因之一，熱會促進類似光劣化時的茶色系色調變色。此外在LED制程上銀膠以及金－錫接合時，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一直到裝設在電子機器為止的熱履歷只有數秒~30秒，不過它必需在200℃左右的環境進出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組件的發熱非常大，動作時芯片溫度經常超過100℃，造成基板曝露在100℃高溫紫外光與藍光環境下。

　　基板一旦變色，LED的輝度降低，從基板反射的反射光出現色調變化，其結果導致制品壽命變短，因此LED用白色基板要求高反射率與低藍光/紫外光樹脂劣化特性，即使受熱也不會變色等特性。

　　基板的機械特性要求

　　基板的機械特性與LED的壽命無直接關系，而是涉及基板厚度精度與鉆孔等加工性等技術性課題。例如加工基板sheet（大約100×150mm）表面同時進行數百個以上封裝、樹脂密封等工程時，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，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連，因此要求低鉆頭磨耗性的基板。此外，加工時發生的毛邊會影響制品的良率，成為成本上升的主要原因，因此要求不會發生毛邊，加工時能夠抑制成本的基板材料。

　　組件的樹脂密封使用注型與轉寫成型技術，基板的厚度精度太差時，樹脂密封工程時模具與基板之間會出現間隙，進而導致密封樹脂泄漏等問題，直接影響制品的良率，其結果反映在成本，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　　

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　　高功率LED的散熱設計

　　白光LED已經開始應用在一般照明與汽車等領域，投入LED的電力也從過去數十mW提高數W等級，因此發熱問題更加表面化。

　　所謂熱問題是指隨著投入電力的增加，LED芯片的溫升造成光輸出降低。有效對策除了改善芯片的特性之外，搭載LED芯片的封裝材料與結構檢討也非常重要。樹脂封裝方式是目前市場的主流，由于樹脂的熱傳導率很低，因此經常成為影響熱問題的原因之一，目前常用對策是將金屬導入樹脂封裝結構，或是采用高熱傳導率陶瓷材料。

　　LED高功率化必需進行以下檢討，分別是：

　　（1）芯片大型化

　　（2）大電流化

　　（3）芯片本身的發光效率改善

　　（4）高效率取光封裝結構

　　其中最簡單的方法是增加電流量，使光量呈比例性增加，不過此時LED芯片產生的熱量會增加。圖7是電流投入LED芯片時的放射照度量測結果，如圖所示在高輸出領域放射照度呈飽和、衰減狀，主要原因是LED芯片發熱所致，為實現LED芯片高輸出化，必需進行有效的熱對策。

　　接著介紹應用陶瓷特性的封裝技術。

　　封裝的功能

　　封裝主要目的是保護內部組件，使內部組件與外部作電氣性連接，促進發熱的內部組件散熱。對LED芯片而言，封裝的目的是使光線高效率放射到外部，因此要求封裝材料具備高強度、高熱傳導性與高反射性。

　　陶瓷封裝的優點

　　陶瓷材料幾乎網羅上述所有要求特性，非常適合當作LED的封裝。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，與耐熱性比傳統環氧樹脂更優秀。

　　目前高散熱封裝結構是將LED芯片固定在金屬板上周圍包覆樹脂，此時芯片材料與金屬的熱膨脹差異非常大，LED芯片封裝時與溫度變化的環境下，產生的熱歪斜極易引發LED芯片缺陷，造成發光效率降低、發熱等問題，隨著芯片大型化，未來熱歪斜勢必更嚴重。陶瓷材料的熱膨脹系數接近LED芯片，因此陶瓷被認為是解決熱歪斜最有效的材料之一。

　　封裝結構

　　照片1是高輸出LED用陶瓷封裝的實際外觀；圖8是陶瓷封裝的構造范例，圖中的反射器電鍍銀膜，可以提高光照射效率 。圖8（c）是應用多層技術，使陶瓷與反射器成形一體結構。

　　為了使發熱的LED芯片正常動作，必需考慮適當的散熱系統，這意味著封裝已經成為散熱組件的一部份。接著介紹有關散熱的處理方式。

　　散熱設計必需考慮如何使LED芯片產生的熱透過筐體釋放到外部。圖9是LED Lamp內部的熱流與封裝內側理想熱擴散模式。

　　如圖9右側實線所示，高熱擴散性封裝的內側（P~Q之間）溫度分布非常平坦，熱可以擴散至封裝整體，而且還非常順暢流入封裝基板內，因此LED芯片正下方的溫度大幅下降。

　　圖10是利用熱模擬分析確認該狀態獲得的結果，該圖表示定常狀態溫度分布，與單位面積時的單位時間流動的熱量，亦即熱流束的分布狀況。由圖可知使用高熱傳導材料的場合，封裝內部的溫差會變小，此時并未發現熱流集中在局部，封裝內部的熱擴散性因而大幅提高。

　　陶瓷是由鋁或是氮化鋁制成，若與目前常用的封裝材料環氧樹脂比較，鋁質陶瓷的熱傳導率是環氧樹脂的55倍，氮化鋁陶瓷的熱傳導率是環氧樹脂的400倍。此外金屬板的熱傳導率大約是200W/mK，鋁的熱傳導率大約是400W/mK左右，要求高熱傳導率的封裝，大多使用金屬作base。


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　　LED芯片接合劑的功能

　　半導體芯片接合劑使用的材料有環氧系、玻璃、焊錫、金共晶合金等等。LED芯片用接合劑除了高熱傳導性之外，基于接合時降低熱應力等觀點，要求低溫接合、低楊氏系數等特性，符合要求的在環氧系有“添加銀的環氧樹脂”，共晶合金則有“Au -20% Sn”等等。

　　接合劑附著在芯片周圍的面積幾乎與LED芯片相同 ，而且無法期待水平方向的熱擴散，只能期望垂直方向的熱傳導性。圖11是LED芯片至封裝背面的溫度差熱仿真分析的結果，如圖所示封裝使用氮化鋁陶瓷基板，與接合部溫度差，以及熱傳導性比添加銀的環氧樹脂還低的Au-Sn接合劑。

　　由于Au-Sn薄層化可以降低接合部的溫度差，同時有效促進熱的流動，因此業界普遍認為未來散熱設計，勢必要求接合劑必需具備高熱傳導性，與可以作薄層化接合等基本特性。

　　今后散熱設計與封裝構造

　　隨著散熱設計的進化，LED組件廠商的研究人員開始檢討LED Lamp至筐體的熱傳導，以及筐體至外部的熱傳導可行性；組件應用廠商與照明燈具廠商則應用實驗與模擬分析進行對策研究。

　　有關熱傳導材料，封裝材料正逐漸從樹脂切換成金屬與陶瓷材料。此外LED芯片接合部是阻礙散熱的要因之一，因此上述薄形接合技術被視為今后檢討課題之一。

　　有關提高筐體至外部的熱傳導，目前大多利用冷卻風扇與散熱鰭片達成散熱要求。不過基于噪音對策與窄空間化等考慮，照明燈具廠商大都不愿意使用熱交換器，因此必需提高與外部接觸面非常多的封裝基板與筐體的散熱性，具體方法例如利用遠紅外線在高熱傳導性銅層表面，形成可以促進熱放射涂抹層的可撓曲散熱膜片（film）。

　　根據測試結果證實可撓曲散熱膜片的散熱效果，比大小接近膜片的散熱鰭片更高，因此研究人員檢討直接將可撓曲散熱膜片黏貼在封裝基板與筐體，或是將可以促進熱放射涂抹層，直接設置在裝基板與筐體表面，試圖藉此提高散熱效果。

　　有關封裝結構，必需開發可以支持LED芯片磊晶（flip chip）接合的微細布線技術；有關封裝材料，雖然氮化鋁的高熱傳導化有相當進展，不過它與反射率有trade-off關系，一般認提高熱傳導性比氮化鋁差的鋁的反射特性，可以支持LED高輸出化需要，未來可望成為封裝材料之一。

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