表面封裝型LED散熱與O2PERA

　　前言

　　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

　　提高耐紫外線特性

　　類似陶瓷等無機材料，不會因為加熱與光線造成劣化、變色，它是非常優秀的材料，不過綜合考慮基板、密封樹脂、成本等問題時，環氧樹脂至今還是成為廣泛被采用封裝材料，特別是環氧樹脂硬化時不會產生副生成物，硬化后具備優秀的電氣、力學、耐熱性等許多特征。此外主劑與硬化劑可以依照預期的特性設計作任意組合。

　　印刷導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”環氧樹脂等主劑，再與“Dicyandiamide”、“Novolac”等硬化劑混合，經過含浸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是一般環氧樹脂的化學結構;圖3是積層板的制造流程。