散熱設(shè)計必需考慮如何使LED芯片產(chǎn)生的熱透過筐體釋放到外部。圖9是LED Lamp內(nèi)部的熱流與封裝內(nèi)側(cè)理想熱擴散模式。
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如圖9右側(cè)實線所示，高熱擴散性封裝的內(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，與單位面積時的單位時間流動的熱量，亦即熱流束的分布狀況。由圖可知使用高熱傳導(dǎo)材料的場合，封裝內(nèi)部的溫差會變小，此時并未發(fā)現(xiàn)熱流集中在局部，封裝內(nèi)部的熱擴散性因而大幅提高。
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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，基于接合時降低熱應(yīng)力等觀點，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。
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由于Au-Sn薄層化可以降低接合部的溫度差，同時有效促進熱的流動，因此業(yè)界普遍認為未來散熱設(shè)計，勢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)計與封裝構(gòu)造
隨著散熱設(shè)計的進化，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)用實驗與模擬分析進行對策研究。
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扇與散熱鰭片達成散熱要求。不過基于噪音對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紅外線在高熱傳導(dǎo)性銅層表面，形成可以促進熱放射涂抹層的可撓曲散熱膜片(film)。
根據(jù)測試結(jié)果證實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)化有相當進展，不過它與反射率有trade-off關(guān)系，一般認提高熱傳導(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
如上所述LED的封裝從光學構(gòu)造觀點而言，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。
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