深度分析白光LED的散熱技術(shù)（二）

　　白光LED已經(jīng)開(kāi)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(guò)去數(shù)十mW提高數(shù)W等級(jí)，因此發(fā)熱問(wèn)題更加表面化。

　　所謂熱問(wèn)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(duì)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(shù)脂封裝方式是目前市場(chǎng)的主流，由于樹(shù)脂的熱傳導(dǎo)率很低，因此經(jīng)常成為影響熱問(wèn)題的原因之一，目前常用對(duì)策是將金屬導(dǎo)入樹(shù)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：

　?。?）芯片大型化

　?。?）大電流化

　　（3）芯片本身的發(fā)光效率改善

　?。?）高效率取光封裝結(jié)構(gòu)

　　其中最簡(jiǎn)單的方法是增加電流量，使光量呈比例性增加，不過(guò)此時(shí)LED芯片產(chǎn)生的熱量會(huì)增加。圖7是電流投入LED芯片時(shí)的放射照度量測(cè)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(duì)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(duì)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(shù)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(shù)脂，此時(shí)芯片材料與金屬的熱膨脹差異非常大，LED芯片封裝時(shí)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(wèn)題，隨著芯片大型化，未來(lái)熱歪斜勢(shì)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(dòng)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。

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。

　　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。

　　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圍的面積幾乎與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。

　　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。