高功率LED的封裝結構分析

　　可撓曲基板的主要用途大多集中在布線(xiàn)用基板，以往高功率晶體管與IC等高發(fā)熱元件幾乎不使用可撓曲基板，最近幾年液晶顯示器為滿(mǎn)足高輝度化需求，強烈要求可撓曲基板可以高密度設置高功率LED，然而LED的發(fā)熱造成LED使用壽命降低，卻成為非常棘手的技術(shù)課題，雖然利用鋁板質(zhì)補強板可以提高散熱性，不過(guò)卻有成本與組裝性的限制，無(wú)法根本解決問(wèn)題。

　　高熱傳導撓曲基板在絕緣層黏貼金屬箔，雖然基本結構則與傳統撓曲基板完全相同，不過(guò)絕緣層采用軟質(zhì)環(huán)氧樹(shù)脂充填高熱傳導性無(wú)機填充物的材料，具有與硬質(zhì)金屬系封裝基板同等級8W/mK的熱傳導性，同時(shí)兼具柔軟可撓曲、高熱傳導特性與高可靠性。此外可撓曲基板還可以依照客戶(hù)需求，將單面單層面板設計成單面雙層、雙面雙層結構。

　　高熱傳導撓曲基板的主要特征是可以設置高發(fā)熱元件，并作三次元組裝，亦即可以發(fā)揮自由彎曲特性，進(jìn)而獲得高組裝空間利用率。

　　根據實(shí)驗結果顯示使用高熱傳導撓曲基板時(shí)，LED的溫度約降低100C，此意味溫度造成LED使用壽命的降低可望獲得改善。事實(shí)上除了高功率LED之外，高熱傳導撓曲基板還可以設置其它高功率半導體元件，適用于局促空間或是高密度封裝等要求高散熱等領(lǐng)域。

　　有關(guān)類(lèi)似照明用LED模塊的散熱特性，單靠封裝基板往往無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求，因此基板周邊材料的配合變得非常重要，例如配合3W/mK的熱傳導性膜片，可以有效提高LED模塊的散熱性與組裝作業(yè)性。

　　圖說(shuō)：透過(guò)鋁質(zhì)基板薄板化后，達到可撓曲的特性，且能具有高熱傳導特性。

　　陶瓷封裝基板對熱歪斜非常有利

　　如上所述白光LED的發(fā)熱隨著(zhù)投入電力強度的增加持續上升，LED芯片的溫升會(huì )造成光輸出降低，因此LED封裝結構與使用材料的檢討非常重要。以往LED使用低熱傳導率樹(shù)脂封裝，被視為影響散熱特性的原因之一，因此最近幾年逐漸改用高熱傳導陶瓷，或是設有金屬板的樹(shù)脂封裝結構。LED芯片高功率化常用方式分別包括了：LED芯片大型化、改善LED芯片發(fā)光效率、采用高取光效率封裝，以及大電流化等等。

　　雖然提高電流發(fā)光量會(huì )呈比例增加，不過(guò)LED芯片的發(fā)熱量也會(huì )隨著(zhù)上升。因為在高輸入領(lǐng)域放射照度呈現飽和與衰減現象，這種現象主要是LED芯片發(fā)熱所造成，因此LED芯片高功率化時(shí)，首先必須解決散熱問(wèn)題。

　　LED的封裝除了保護內部LED芯片之外，還兼具LED芯片與外部作電氣連接、散熱等功能。LED封裝要求LED芯片產(chǎn)生的光線(xiàn)可以高效率取至外部，因此封裝必須具備高強度、高絕緣性、高熱傳導性與高反射性，令人感到意外的是陶瓷幾乎網(wǎng)羅上述所有特性，此外陶瓷耐熱性與耐光線(xiàn)劣化性也比樹(shù)脂優(yōu)秀。

　　傳統高散熱封裝是將LED芯片設置在金屬基板上周?chē)侔矘?shù)脂，然而這種封裝方式的金屬熱膨脹系數與LED芯片差異相當大，當溫度變化非常大或是封裝作業(yè)不當時(shí)極易產(chǎn)生熱歪斜，進(jìn)而引發(fā)芯片瑕疵或是發(fā)光效率降低。

　　未來(lái)LED芯片面臨大型化發(fā)展時(shí)，熱歪斜問(wèn)題勢必變成無(wú)法忽視的困擾，針對上述問(wèn)題，具備接近LED芯片的熱膨脹系數的陶瓷，可說(shuō)是對熱歪斜對策非常有利的材料。

　　高功率加速陶汰樹(shù)脂材料

　　LED封裝用陶瓷材料分成氧化鋁與氮化鋁，氧化鋁的熱傳導率是環(huán)氧樹(shù)脂的55倍，氮化鋁則是環(huán)氧樹(shù)脂的400倍，因此目前高功率LED封裝用基板大多使用熱傳導率為200W/mK的鋁，或是熱傳導率為400W/mK的銅質(zhì)金屬封裝基板。

　　半導體IC芯片的接合劑分別使用環(huán)氧系接合劑、玻璃、焊錫、金共晶合金等材料。LED芯片用接合劑除了上述高熱傳導性之外，基于接合時(shí)降低熱應力等觀(guān)點(diǎn)，還要求低溫接合與低楊氏系數等等，而符合這些條件的接合劑分別是環(huán)氧系接合劑充填銀的環(huán)氧樹(shù)脂，與金共晶合金系的Au-20%Sn。

　　接合劑的包覆面積與LED芯片的面積幾乎相同，因此無(wú)法期待水平方向的熱擴散，只能寄望于垂直方向的高熱傳導性。根據模擬分析結果顯示LED接合部的溫差，熱傳導性非常優(yōu)秀的Au-Sn比低散熱性銀充填環(huán)氧樹(shù)脂接合劑更優(yōu)秀。

　　LED封裝基板的散熱設計，大致分成LED芯片至框體的熱傳導、框體至外部的熱傳達兩大方面。

　　熱傳導的改善幾乎完全仰賴(lài)材料的進(jìn)化，一般認為隨著(zhù)LED芯片大型化、大電流化、高功率化的發(fā)展，未來(lái)會(huì )加速金屬與陶瓷封裝取代傳統樹(shù)脂封裝方式，此外LED芯片接合部是妨害散熱的原因之一，因此薄接合技術(shù)成為今后改善的課題。

　　提高LED高熱排放至外部的熱傳達特性，以往大多使用冷卻風(fēng)扇與熱交換器，由于噪音與設置空間等諸多限制，實(shí)際上包含消費者、照明燈具廠(chǎng)商在內，都不希望使用上述強制性散熱元件，這意味著(zhù)非強制散熱設計必須大幅增加框體與外部接觸的面積，同時(shí)提高封裝基板與框體的散熱性。

　　具體對策如：高熱傳導銅層表面涂布利用遠紅外線(xiàn)促進(jìn)熱放射的撓曲散熱薄膜等，根據實(shí)驗結果證實(shí)使用該撓曲散熱薄膜的發(fā)熱體散熱效果，幾乎與面積接近散熱薄膜的冷卻風(fēng)扇相同，如果將撓曲散熱薄膜黏貼在封裝基板、框體，或是將涂抹層直接涂布在封裝基板、框體，理論上還可以提高散熱性。

　　有關(guān)高功率LED的封裝結構，要求能夠支持LED芯片磊晶接合的微細布線(xiàn)技術(shù);有關(guān)材質(zhì)的發(fā)展，雖然氮化鋁已經(jīng)高熱傳導化，但高熱傳導與反射率的互動(dòng)關(guān)系卻成為另1個(gè)棘手問(wèn)題，一般認為未來(lái)若能提高氮化鋁的熱傳導率，對高功率LED的封裝材料具有正面助益。