高功率LED的封裝結構分析

長(cháng)久以來(lái)顯示應用一直是led發(fā)光元件主要訴求，并不要求LED高散熱性，因此LED大多直接封裝于一般樹(shù)脂系基板，然而2000年以后隨著(zhù)LED高輝度化與高效率化發(fā)展，尤其是藍光LED元件的發(fā)光效率獲得大幅改善，液晶、家電、汽車(chē)等業(yè)者也開(kāi)始積極檢討LED的適用性。

　　現今數碼家電與平面顯示器急速普及化，加上LED單體成本持續下降，使得LED應用范圍，以及有意愿采用LED的產(chǎn)業(yè)范圍不斷擴大，其中又以液晶面板廠(chǎng)商面臨歐盟頒布的危害性物質(zhì)限制指導(RoHS: Restriction of Hazardous Substances Directive)規范，而陸續提出未來(lái)必須將水銀系冷陰極燈管(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)全面無(wú)水銀化的發(fā)展方針，其結果造成高功率LED的需求更加急迫。

　　技術(shù)上高功率LED封裝后的商品，使用時(shí)散熱對策實(shí)為非常棘手，而此背景下具備高成本效率，且類(lèi)似金屬系基板等高散熱封裝基板的產(chǎn)品發(fā)展動(dòng)向，成為L(cháng)ED高效率化之后另1個(gè)備受?chē)谀康慕裹c(diǎn)。

　　環(huán)氧樹(shù)脂已不符合高功率需求

　　以往LED的輸出功率較小，可以使用傳統FR4等玻璃環(huán)氧樹(shù)脂封裝基板，然而照明用高功率LED的發(fā)光效率只有20%~30%，且芯片面積非常小，雖然整體消費電力非常低，不過(guò)單位面積的發(fā)熱量卻很大。

　　汽車(chē)、照明與一般民生業(yè)者已經(jīng)開(kāi)始積極檢討LED的適用性，業(yè)者對高功率LED期待的特性分別是省電、高輝度、長(cháng)使用壽命、高色彩再現性，這意味著(zhù)散熱性佳是高功率LED封裝基板不可欠缺的條件。

　　樹(shù)脂基板的散熱極限多半只支持0.5W以下的LED，超過(guò)0.5W以上的LED封裝大多改用金屬系與陶瓷系高散熱基板，主要原因是基板的散熱性對LED的壽命與性能有直接影響，因此封裝基板成為設計高輝度LED商品應用時(shí)非常重要的元件。

　　金屬系高散熱基板又分成硬質(zhì)(rigid)與可撓曲(flexible)系基板兩種，硬質(zhì)系基板屬于傳統金屬基板，金屬基材的厚度通常大于1mm，廣泛應用在LED燈具模塊與照明模塊，技術(shù)上它與鋁質(zhì)基板相同等級高熱傳導化的延伸，未來(lái)可望應用在高功率LED封裝。

　　可撓曲系基板的出現是為了滿(mǎn)足汽車(chē)導航儀等中型LCD背光模塊薄形化，以及高功率LED三次元封裝要求的前提下，透過(guò)鋁質(zhì)基板薄板化賦予封裝基板可撓曲特性，進(jìn)而形成兼具高熱傳導性與可撓曲性的高功率LED封裝基板。

　　圖說(shuō)：環(huán)氧樹(shù)脂耐熱性比較差，在LED芯片本身的壽命結束前，環(huán)氧樹(shù)脂就已經(jīng)出現變色。

　　高效率化　金屬基板備受關(guān)注

　　硬質(zhì)金屬系封裝基板是利用傳統樹(shù)脂基板或是陶瓷基板，賦予高熱傳導性、加工性、電磁波遮蔽性、耐熱沖擊性等金屬特性，構成新世代高功率LED封裝基板。

　　高功率LED封裝基板是利用環(huán)氧樹(shù)脂系接著(zhù)劑將銅箔黏貼在金屬基材的表面，透過(guò)金屬基材與絕緣層材質(zhì)的組合變化，制成各種用途的LED封裝基板。

　　高散熱性是高功率LED封裝用基板不可或缺的基本特性，因此上述金屬系LED封裝基板使用鋁與銅等材料，絕緣層大多使用高熱傳導性無(wú)機填充物(Filler)的環(huán)氧樹(shù)脂。鋁質(zhì)基板是應用鋁的高熱傳導性與輕量化特性制成高密度封裝基板，目前已經(jīng)應用在冷氣空調的轉換器(Inverter)、通訊設備的電源基板等領(lǐng)域，也同樣適用于高功率LED封裝。

　　一般而言，金屬封裝基板的等價(jià)熱傳導率標準大約是2W/mK，為滿(mǎn)足客戶(hù)4~6W/mK高功率化的需要，業(yè)者已經(jīng)推出等價(jià)且熱傳導率超過(guò)8W/mK的金屬系封裝基板。由于硬質(zhì)金屬系封裝基板主要目的是支持高功率LED封裝，因此各封裝基板廠(chǎng)商正積極開(kāi)發(fā)可以提高熱傳導率的技術(shù)。

　　硬質(zhì)金屬系封裝基板的主要特征是高散熱性。高熱傳導性絕緣層封裝基板，可以大幅降低LED芯片的溫度。此外基板的散熱設計，透過(guò)散熱膜片與封裝基板組合，還望延長(cháng)LED芯片的使用壽命。

　　金屬系封裝基板的缺點(diǎn)是基材的金屬熱膨脹系數非常大，與低熱膨脹系數陶瓷系芯片元件焊接時(shí)情形相似，容易受到熱循環(huán)沖擊，如果高功率LED封裝使用氮化鋁時(shí)，金屬系封裝基板可能會(huì )發(fā)生不協(xié)調的問(wèn)題，因此必須設法吸收LED模塊各材料熱膨脹系數差異造成的熱應力，藉此緩和熱應力進(jìn)而提高封裝基板的可靠性。

　　圖說(shuō)：LED芯片大多利用芯片大型化、改善發(fā)光效率、采用高取光效率的封裝，及大電流化，以達到高亮度的目標。