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(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(shí)有效促進(jìn)熱的流動(dòng)，因此業(yè)界普遍認(rèn)為未來散熱設(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(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(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(jì)。
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(duì)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(shí)，入射光會(huì)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(huì)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(shí)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。
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(huì)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(duì)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(shí)碗杯整體可以充分應(yīng)用的反射面角度，比水平面測(cè)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(dòng)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(jì)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(shí)，wire bond(second)的空間有消失之虞，所以設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)比較，本實(shí)例使用波長(zhǎng)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(cè)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(duì)稱性，因此當(dāng)初研究人員一度擔(dān)心配光特性會(huì)出現(xiàn)非對(duì)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(huì)擴(kuò)散，所以可以獲得整體非常均勻的對(duì)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(jì)上的面臨的散熱技術(shù)問題，同時(shí)探討O2PERA (Optimized OutPut by Efficient Reflection Angle)光學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)，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。
