深度分析白光LED的散热技术

　　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。

　　改善加热变色性的方法，分别如下：

　　(1)提高树脂的耐热性(提高玻璃转移点的温度)。

　　(2)添加防氧化剂。

　　(3)主剂的双重结合，降低容易氧化的部位。

　　有关第(1)项，一般认为可以透过环氧树脂与硬化剂的组合，可望获得改善。

　　有关第(2)项，研究人员开始检讨防氧化剂的添加量与相性。

　　有关第(3)项，采用脂环式环氧树脂，可以解决特性面的问题。

　　提高白色度与反射率

　　为了使基板白色化，必需将白色颜料添加于树脂内，该白色颜料的选择会直接反映在基板的反射率，因此它是非常重的项目。适合LED基板的白色颜料必需选用「在可视光领域的反射率很高，即使低波长它的反射率也不会降低的材料」，二氧化钛比较接近上述要求，其它候补材料则有氧化锌、铝等等。基板若添加二氧化钛，可以提高初期白色度与反射率，缺点是热与紫外线会使有机部份迅速变色。此外若添加填充材料，基板的刚性会提高、热变形温度也随着变高，它可以提升芯片封装时的导线固定性与加工时的良率。

　　白色积层板材料

　　图5是日本业者开发的粘贴铜箔白色积层板"CS-3965H"的分光反射率。如图所示CS-3965H的分 光反射率，从近紫外(波长420nm)开始站立，在可视光全波长领域达到87%。如果基板变色时，在蓝光领域(波长450nm)的反射率会降低。

　　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。

　　高功率LED的散热设计

　　白光LED已经开始应用在一般照明与汽车等领域，投入LED的电力也从过去数十mW提高数W等级，因此发热问题更加表面化。

　　所谓热问题是指随着投入电力的增加，LED芯片的温升造成光输出降低。有效对策除了改善芯片的特性之外，搭载LED芯片的封装材料与结构检讨也非常重要。树脂封装方式是目前市场的主流，由于树脂的热传导率很低，因此经常成为影响热问题的原因之一，目前常用对策是将金属导入树脂封装结构，或是采用高热传导率陶瓷材料。

　　LED高功率化必需进行以下检讨，分别是：

　　（1）芯片大型化

　　（2）大电流化

　　（3）芯片本身的发光效率改善

　　（4）高效率取光封装结构

　　其中最简单的方法是增加电流量，使光量呈比例性增加，不过此时LED芯片产生的热量会增加。图7是电流投入LED芯片时的放射照度量测结果，如图所示在高输出领域放射照度呈饱和、衰减状，主要原因是LED芯片发热所致，为实现LED芯片高输出化，必需进行有效的热对策。

　　接着介绍应用陶瓷特性的封装技术。

　　封装的功能

　　封装主要目的是保护内部组件，使内部组件与外部作电气性连接，促进发热的内部组件散热。对LED芯片而言，封装的目的是使光线高效率放射到外部，因此要求封装材料具备高强度、高热传导性与高反射性。

　　陶瓷封装的优点

　　陶瓷材料几乎网罗上述所有要求特性，非常适合当作LED的封装。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，与耐热性比传统环氧树脂更优秀。

　　目前高散热封装结构是将LED芯片固定在金属板上周围包覆树脂，此时芯片材料与金属的热膨胀差异非常大，LED芯片封装时与温度变化的环境下，产生的热歪斜极易引发LED芯片缺陷，造成发光效率降低、发热等问题，随着芯片大型化，未来热歪斜势必更严重。陶瓷材料的热膨胀系数接近LED芯片，因此陶瓷被认为是解决热歪斜最有效的材料之一。

　　封装结构

　　照片1是高输出LED用陶瓷封装的实际外观；图8是陶瓷封装的构造范例，图中的反射器电镀银膜，可以提高光照射效率 。图8（c）是应用多层技术，使陶瓷与反射器成形一体结构。

为了使发热的LED芯片正常动作，必需考虑适当的散热系统，这意味着封装已