有关类似照明用LED模块的散热特性,单靠封装基板往往无法满足实际需求,因此基板周边材料的配合变得非常重要,例如图11的端缘发光型LED背光模块的新结构,配合~3W/m?K的热传导性膜片,可以有效提高LED模块的散热性与LED模块的组装作业性。
陶瓷系封装基板
如上所述白光LED的发热随着投入电力强度的增加持续上升,LED芯片的温升会造成光输出降低,因此LED的封装结构与使用材料的检讨非常重要。
以往LED使用低热传导率树脂封装,被视为是影响散热特性的原因之一,因此最近几年逐渐改用高热传导陶瓷,或是设有金属板的树脂封装结构。LED芯片高功率化常用手法分别是:
●LED芯片大型化
●改善LED芯片的发光效率
●采用高取光效率的封装
●大电流化
虽然提高电流发光量会呈比例增加,不过LED芯片的发热量也会随着上升。图12是LED投入电流与放射照度量测结果,由图可知在高输入领域放射照度呈现饱和与衰减现象,这种现象主要是LED芯片发热所造成,因此LED芯片高功率化时首先必需解决散热问题。
LED的封装除了保护内部LED芯片之外,还兼具LED芯片与外部作电气连接、散热等功能。
LED的封装要求LED芯片产生的光线可以高效率取至外部,因此封装必需具备高强度、高绝缘性、高热传导性与高反射性,令人感到意外的是陶瓷几乎网罗上述所有特性。
表2是陶瓷的主要材料物性一览,除此之外陶瓷耐热性与耐光线劣化性也比树脂优秀。
传统高散热封装是将LED芯片设置在金属基板上周围再包覆树脂,然而这种封装方式的金属热膨胀系数与LED芯片差异非常大,当温度变化非常大或是封装作业不当时极易产生热歪斜(thermal strain;热剪应力),进而引发芯片瑕疵或是发光效率降低。
未来LED芯片面临大型化发展时,热歪斜问题势必变成无法忽视的困扰,有关这点具备接近LED芯片的热膨胀系数的陶瓷,可说是热歪斜对策非常有利的材料。
图13是高功率LED陶瓷封装的外观;图14是高功率LED陶瓷封装的基本结构,图14(b)的反射罩电镀银膜。它可以提高光照射率,图14(c)的陶瓷反射罩则与陶瓷基板呈一体结构。
散热设计
图15表示LED内部理想性热流扩散模式,图15右图的实线表示封装内部P~Q之间高热流扩散分布非常平坦,由于热流扩散至封装整体均匀流至封装基板,其结果使得LED芯片正下方的温度大幅降低。
图16是以封装材的热传导率表示热扩散性的差异,亦即图15表示正常状态时的温度分布,与单位面积单位时间流动的热流束分布特性。
使用高热传导材时,封装内部的温差会变小,此时热流不会呈局部性集中,LED芯片整体产生的热流呈放射状流至封装内部各角落,换言之高热传导材料可以提高LED封装内部的热扩散性。