散熱設(shè)計(jì)必需考慮如何使LED芯片產(chǎn)生的熱透過(guò)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。
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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(shí)的單位時(shí)間流動(dòng)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(chǎng)合，封裝內(nèi)部的溫差會(huì)變小，此時(shí)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。
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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(shù)脂比較，鋁質(zhì)陶瓷的熱傳導(dǎo)率是環(huán)氧樹(shù)脂的55倍，氮化鋁陶瓷的熱傳導(dǎo)率是環(huán)氧樹(shù)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(shí)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(shù)脂”，共晶合金則有“Au -20% Sn”等等。
接合劑附著在芯片周?chē)拿娣e幾乎與LED芯片相同 ，而且無(wú)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(shù)脂還低的Au-Sn接合劑。
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由于Au-Sn薄層化可以降低接合部的溫度差，同時(shí)有效促進(jìn)熱的流動(dòng)，因此業(yè)界普遍認(rèn)為未來(lái)散熱設(shè)計(jì)，勢(shì)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(jì)與封裝構(gòu)造
隨著散熱設(shè)計(jì)的進(jìn)化，LED組件廠商的研究人員開(kāi)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(duì)策研究。
有關(guān)熱傳導(dǎo)材料，封裝材料正逐漸從樹(shù)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(guò)基于噪音對(duì)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(cè)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(kāi)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(guò)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(lái)可望成為封裝材料之一。
O2PERA結(jié)構(gòu)的SMD-LED設(shè)計(jì)
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(shù)脂構(gòu)成(炮彈型、Piranha型)。
(2)利用高反射白色樹(shù)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(guò)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(shù)脂。
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