前言
0603紅光，5050白光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)計上的經(jīng)常面臨的散熱技術(shù)問題，同時探討O2PERA(Optimized OutPut by Efficient Reflection Angle)的光學(xué)設(shè)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(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。
制造LED芯片時印刷基板的功能之一，是將半導(dǎo)體device組件化，另外一個功能是讓組件產(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，不過鍍金時類似藍(lán)光領(lǐng)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(lǐng)域具備均勻高反射率，反射率的波長相關(guān)性很強(qiáng)時，LED芯片設(shè)計上會變成與設(shè)計波長相異的光源，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)重時甚至?xí)兂刹枭珇灰色色調(diào)。
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，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，動作時芯片溫度經(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)表面同時進(jìn)行數(shù)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(guān)連，因此要求低鉆頭磨耗性的基板。此外，加工時發(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，樹脂密封工程時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，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。
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All
ELe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，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。
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：
(1)提高樹脂的耐熱性(提高玻璃轉(zhuǎn)移點(diǎn)的溫度)。
(2)添加防氧化劑。
(3)主劑的雙重結(jié)合，降低容易氧化的部位。
有關(guān)第(1)項(xiàng)，一般認(rèn)為可以透過環(huán)氧樹脂與硬化劑的組合，可望獲得改善。
有關(guān)第(2)項(xiàng)，研究人員開始檢討防氧化劑的添加量與相性。
有關(guān)第(3)項(xiàng)，采用脂環(huán)式環(huán)氧樹脂，可以解決特性面的問題。
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提高白色度與反射率
為了使基板白色化，必需將白色顏料添加于樹脂內(nèi)，該白色顏料的選擇會直接反映在基板的反射率，因此它是非常重的項(xiàng)目。適合
LED基板的白色顏料必需選用「在可視光領(lǐng)域的反射率很高，即使低波長它的反射率也不會降低的材料」，二氧化鈦比較接近上述要求，其它候補(bǔ)材料則有氧化鋅、鋁等等?；迦籼砑佣趸?，可以提高初期白色度與反射率，缺點(diǎn)是熱與紫外線會使有機(jī)部份迅速變色。此外若添加填充材料，基板的剛性會提高、熱變形溫度也隨著變高，它可以提升芯片封裝時的導(dǎo)線固定性與加工時的良率。
白色積層板材料
圖5是日本業(yè)者開發(fā)的粘貼銅箔白色積層板“CS-3965H”的分光反射率。如圖所示CS-3965H的分 光反射率，從近紫外(波長420nm)開始站立，在可視光全波長領(lǐng)域達(dá)到87%。如果基板變色時，在藍(lán)光領(lǐng)域(波長450nm)的反射率會降低。
圖6是“CS-3965H”經(jīng)過加熱與紫外線照射后的藍(lán)光反射率變化特性，如圖所示CS-3965H銅箔白色積層板的變色非常低，由于CS-3965H的初期反射率很高，熱與紫外線照射后的反射率變化卻非常低，非常適用于高輝度LED的封裝。
高
功率LED的散熱設(shè)計
白光LED已經(jīng)開始應(yīng)用在一般照明與汽車等領(lǐng)域，投入LED的電力也從過去數(shù)十mW提高數(shù)W等級，因此發(fā)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(jié)構(gòu)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(dǎo)率很低，因此經(jīng)常成為影響熱問題的原因之一，目前常用對策是將金屬導(dǎo)入樹脂封裝結(jié)構(gòu)，或是采用高熱傳導(dǎo)率陶瓷材料。
LED高功率化必需進(jìn)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(fā)光效率改善
(4)高效率取光封裝結(jié)構(gòu)
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(chǎn)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(jié)果，如圖所示在高輸出領(lǐng)域放射照度呈飽和、衰減狀，主要原因是LED芯片發(fā)熱所致，為實(shí)現(xiàn)LED芯片高輸出化，必需進(jìn)行有效的熱對策。
接著介紹應(yīng)用陶瓷特性的封裝技術(shù)。
封裝的功能
封裝主要目的是保護(hù)內(nèi)部組件，使內(nèi)部組件與外部作電氣性連接，促進(jìn)發(fā)熱的內(nèi)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(qiáng)度、高熱傳導(dǎo)性與高反射性。
陶瓷封裝的優(yōu)點(diǎn)
陶瓷材料幾乎網(wǎng)羅上述所有要求特性，非常適合當(dāng)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(tǒng)環(huán)氧樹脂更優(yōu)秀。
目前高散熱封裝結(jié)構(gòu)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(huán)境下，產(chǎn)生的熱歪斜極易引發(fā)LED芯片缺陷，造成發(fā)光效率降低、發(fā)熱等問題，隨著芯片大型化，未來熱歪斜勢必更嚴(yán)重。陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)接近LED芯片，因此陶瓷被認(rèn)為是解決熱歪斜最有效的材料之一。
封裝結(jié)構(gòu)
照片1是高輸出LED用陶瓷封裝的實(shí)際外觀；圖8是陶瓷封裝的構(gòu)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(yīng)用多層技術(shù)，使陶瓷與反射器成形一體結(jié)構(gòu)。
為了使發(fā)熱的LED芯片正常動作，必需考慮適當(dāng)?shù)纳嵯到y(tǒng)，這意味著封裝已經(jīng)成為散熱組件的一部份。接著介紹有關(guān)散熱的處理方式。
封裝與散熱基板的功能
散熱設(shè)計必需考慮如何使LED芯片產(chǎn)生的熱透過筐體釋放到外部。圖9是LED Lamp內(nèi)部的熱流與封裝內(nèi)側(cè)理想熱擴(kuò)散模式。
如圖9右側(cè)實(shí)線所示，高熱擴(kuò)散性封裝的內(nèi)側(cè)(P~Q之間)溫度分布非常平坦，熱可以擴(kuò)散至封裝整體，而且還非常順暢流入封裝基板內(nèi)，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(rèn)該狀態(tài)獲得的結(jié)果，該圖表示定常狀態(tài)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(dǎo)材料的場合，封裝內(nèi)部的溫差會變小，此時并未發(fā)現(xiàn)熱流集中在局部，封裝內(nèi)部的熱擴(kuò)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(huán)氧樹脂比較，鋁質(zhì)陶瓷的熱傳導(dǎo)率是環(huán)氧樹脂的55倍，氮化鋁陶瓷的熱傳導(dǎo)率是環(huán)氧樹脂的400倍。此外金屬板的熱傳導(dǎo)率大約是200W/mK，鋁的熱傳導(dǎo)率大約是400W/mK左右，要求高熱傳導(dǎo)率的封裝，大多使用金屬作base。
LED芯片接合劑的功能
半導(dǎo)體芯片接合劑使用的材料有環(huán)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(dǎo)性之外，基于接合時降低熱應(yīng)力等觀點(diǎn)，要求低溫接合、低楊氏系數(shù)等特性，符合要求的在環(huán)氧系有“添加銀的環(huán)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(kuò)散，只能期望垂直方向的熱傳導(dǎo)性。圖11是LED芯片至封裝背面的溫度差熱仿真分析的結(jié)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(dǎo)性比添加銀的環(huán)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(jìn)熱的流動，因此業(yè)界普遍認(rèn)為未來散熱設(shè)計，勢必要求接合劑必需具備高熱傳導(dǎo)性，與可以作薄層化接合等基本特性。
今后散熱設(shè)計與封裝構(gòu)造
隨著散熱設(shè)計的進(jìn)化，LED組件廠商的研究人員開始檢討LED Lamp至筐體的熱傳導(dǎo)，以及筐體至外部的熱傳導(dǎo)可行性；組件應(yīng)用廠商與照明
燈具廠商則應(yīng)用實(shí)驗(yàn)與模擬分析進(jìn)行對策研究。
有關(guān)熱傳導(dǎo)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(shù)被視為今后檢討課題之一。
有關(guān)提高筐體至外部的熱傳導(dǎo)，目前大多利用冷卻風(fēng)扇與散熱鰭片達(dá)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(yuǎn)紅外線在高熱傳導(dǎo)性銅層表面，形成可以促進(jìn)熱放射涂抹層的可撓曲散熱膜片(film)。
根據(jù)測試結(jié)果證實(shí)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(jìn)熱放射涂抹層，直接設(shè)置在裝基板與筐體表面，試圖藉此提高散熱效果。
有關(guān)封裝結(jié)構(gòu)，必需開發(fā)可以支持LED芯片磊晶(flip chip)接合的微細(xì)布線技術(shù)；有關(guān)封裝材料，雖然氮化鋁的高熱傳導(dǎo)化有相當(dāng)進(jìn)展，不過它與反射率有trade-off關(guān)系，一般認(rèn)提高熱傳導(dǎo)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。
O2PERA結(jié)構(gòu)的SMD-LED設(shè)計
如上所述LED的封裝從光學(xué)構(gòu)造觀點(diǎn)而言，可以分成兩種型式分別是：
(1)整體由透明樹脂構(gòu)成(炮彈型、Piranha型)。
(2)利用高反射白色樹脂包覆的表面封裝型(SMD： Surface Mount Device)。
(3)使用金屬的鏡面反射面型。
近年基于可靠性、成本、組裝作業(yè)性等考慮，第(2)項(xiàng)的SMD型的應(yīng)用大幅增加。圖12(a)是SMD型LED的封裝結(jié)構(gòu)，如圖所示它是由白色高擴(kuò)散反射材料制成的筐體，與金屬導(dǎo)線架構(gòu)成凹狀結(jié)構(gòu)，LED芯片透過Mount與Wire Bonding，固定在該凹狀結(jié)構(gòu)底部上方的導(dǎo)線架，凹狀結(jié)構(gòu)則包覆透明環(huán)氧樹脂。
傳統(tǒng)內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)為了確保Mount與Wire Bonding作業(yè)空間，使得使用白色高擴(kuò)散反射材料的反射器無法作優(yōu)化設(shè)計。
光線從表面平坦透明材料透過空氣的光取出效率可以利用圖13作說明。對折射率n>1的環(huán)氧樹脂等透明材料，與折射率n＝1的空氣界面而言，從透明材料入射的光線，它的入射角比臨界角ψc(從法線的角度)更大時，入射光會全反射再折返透明材料側(cè)，入射角比臨界角ψc更小的光線，會以部份入射能量反射折返，其它則通過空氣側(cè)，如果換成三次元方式，頂角為ψc時只有碗杯內(nèi)側(cè)的光線可以取出至外部。
圖14(a)是傳統(tǒng)SMD封裝的斷面圖，如圖所示從LED芯片取出朝碗杯內(nèi)直接放射的光線(光線1)可以穿透空氣側(cè)，不過碗杯外的直接放射光線(光線2，3)不是過碰到白色樹脂的擴(kuò)散反射面，就是在空氣與環(huán)氧樹脂之間的界面全反射。
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理論上內(nèi)部結(jié)構(gòu)的反射率為100%，透明樹脂的吸收應(yīng)該是零 ，如果忽略芯片的吸收 ，無限次反復(fù)進(jìn)行反射 ，從封裝的光取出效率也應(yīng)該是100%，然而實(shí)際上透明樹脂會吸收，反射率也不可能100%，加上導(dǎo)線架的加工面與芯片旁的銀膠表面反射率都不盡理想，因此要提高封裝的光取出效率，盡量以少次數(shù)高效率反射成為重要課題。
此處針對碰撞到白色樹脂反射面的光線進(jìn)行探討。一次的擴(kuò)散反射只能取出碗杯內(nèi)側(cè)的反射成份，此時碗杯整體可以充分應(yīng)用的反射面角度，比水平面測定的臨界角θc(＝90°-ψc)更小。此處假設(shè)透明環(huán)氧樹脂的折射率為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就可以有效應(yīng)用碗杯內(nèi)的光線，大幅改善光取出效率，以上是O2PERA結(jié)構(gòu)的基本動作原理。
如上所述傳統(tǒng)SMD型LED的封裝，基于導(dǎo)線與芯片固定作業(yè)性考慮，內(nèi)部結(jié)構(gòu)具備充分的空間裕度， 其結(jié)果反而造成芯片周圍的金屬導(dǎo)線架大幅露出，擴(kuò)散反射面的角度則高達(dá)70°憤D常陡峭，該結(jié)構(gòu)下的擴(kuò)散反射面本身的面積非常少，碗杯只有一半面積可以應(yīng)用。
此外金屬導(dǎo)線架的反射率與表面材質(zhì)、加工程度有依存關(guān)系，然而基于成本考慮無法作鏡面加工，使得傳統(tǒng)SMD型LED的封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)一直未被優(yōu)化，結(jié)果造成光取出效率遭受具大折損。因此研究人員應(yīng)用O2PERA技術(shù)開發(fā)SMD型LED。
O2PERA型
SMD LED優(yōu)先維持與傳統(tǒng)SMD型
LED封裝的互換性，設(shè)計上未改變外形尺寸，只緩和內(nèi)部擴(kuò)散反射面的角度，因此實(shí)際上即使受到外形尺寸與LED芯片大小Die bonding的限制，O2PERA仍然可以實(shí)現(xiàn)比490臨界角更小的反射面角度。不過內(nèi)側(cè)的全反射面整體的角度一旦緩和時，wire bond(second)的空間有消失之虞，所以設(shè)計上必需預(yù)留最小wire bonding空間，在狹窄位置精密控制wire bond用capillary，是實(shí)現(xiàn)O2PERA型SMD LED的關(guān)鍵技術(shù)。
實(shí)際上考慮封裝材料的反射率、穿透率以及wire bonding空間，依此進(jìn)行光學(xué)仿真分析，證實(shí)可以提高30%左右的亮度與光束。如上所述采用不同于傳統(tǒng)固定觀念，配合光學(xué)設(shè)計與精密的生產(chǎn)技術(shù)，可以提高SMD型LED的光取出效率。
圖15是利用O2PERA-SMD封裝提高亮度的實(shí)例，LED芯片本身具有分布不均問題，因此盡力使用相同質(zhì)量的芯片進(jìn)行統(tǒng)計比較，本實(shí)例使用波長為589nm黃光LED，實(shí)現(xiàn)平均值34%左右的亮度提升效果，該值與學(xué)模擬分析結(jié)果幾乎一致。
圖16是O2PERA-SMD封裝三次元的配光特性實(shí)測例，第二次固定空間位置以配光特性上粗線表示。由于該空間造成內(nèi)部反射構(gòu)造呈非對稱性，因此當(dāng)初研究人員一度擔(dān)心配光特性會出現(xiàn)非對稱性結(jié)果，所幸的事它與鏡面反射不同，擴(kuò)散反射各方向的光線都會擴(kuò)散，所以可以獲得整體非常均勻的對稱配光特性。
結(jié)語
以上介紹表面封裝型LED用基板要求的特性、功能，以及設(shè)計上的面臨的散熱技術(shù)問題，同時探討O2PERA (Optimized OutPut by Efficient Reflection Angle)光學(xué)設(shè)計技巧。
目前O2PERA型SMD LED已經(jīng)商品化，一般認(rèn)為表面封裝型LED需求持續(xù)擴(kuò)大，未來具備擴(kuò)散反射面的大型SMD LED，透過內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，亮度與光束可以再提高，而且它擁有外形尺寸、配光特性與傳統(tǒng)制品高兼容性，制作成本也完全相同，因此O2PERA型SMD LED可望拓展應(yīng)用領(lǐng)域。
