深度解讀:高功率LED封裝基板技術(shù)

根據實(shí)驗結果顯示使用高熱傳導撓曲基板時(shí)，LED的溫度大約降低100℃，這意味著(zhù)溫度造成LED使用壽命降低的問(wèn)題可望獲得改善。

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組件，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，例如圖11的端緣發(fā)光型LED背光模塊的新結構，配合~3W/m?K的熱傳導性膜片，可以有效提高LED模塊的散熱性與LED模塊的組裝作業(yè)性。

　陶瓷系封裝基板

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的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，被視為是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芯片高功率化常用手法分別是：

　　●LED芯片大型化

　　●改善LED芯片的發(fā)光效率

　　●采用高取光效率的封裝

　　●大電流化

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。圖12是LED投入電流與放射照度量測結果，由圖可知在高輸入領(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)首先必需解決散熱問(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的封裝要求LED芯片產(chǎn)生的光線(xiàn)可以高效率取至外部，因此封裝必需具備高強度、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。

　　表2是陶瓷的主要材料物性一覽，除此之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芯片差異非常大，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(thermal strain；熱剪應力)，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，有關(guān)這點(diǎn)具備接近LED芯片的熱膨脹系數的陶瓷，可說(shuō)是熱歪斜對策非常有利的材料。

圖13是高功率LED陶瓷封裝的外觀(guān)；圖14是高功率LED陶瓷封裝的基本結構，圖14(b)的反射罩電鍍銀膜。它可以提高光照射率，圖14(c)的陶瓷反射罩則與陶瓷基板呈一體結構。

　散熱設計

　　圖15表示LED內部理想性熱流擴散模式，圖15右圖的實(shí)線(xiàn)表示封裝內部P~Q之間高熱流擴散分布非常平坦，由于熱流擴散至封裝整體均勻流至封裝基板，其結果使得LED芯片正下方的溫度大幅降低。

圖16是以封裝材的熱傳導率表示熱擴散性的差異，亦即圖15表示正常狀態(tài)時(shí)的溫度分布，與單位面積單位時(shí)間流動(dòng)的熱流束分布特性。

使用高熱傳導材時(shí)，封裝內部的溫差會(huì )變小，此時(shí)熱流不會(huì )呈局部性集中，LED芯片整體產(chǎn)生的熱流呈放射狀流至封裝內部各角落，換言之高熱傳導材料可以提高LED封裝內部的熱擴散性。

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55倍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的鋁質(zhì)，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，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。

　　圖17是熱傳導差異對封裝內部的溫度分布，與熱流束特性的模擬分析結果，封裝基板使用氮化鋁。根據仿真分析結果顯示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。

有關(guān)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

兩大部位。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、下游系統應用廠(chǎng)商在內，都不希望使用強制性散熱組件，這意味著(zhù)非強制散熱設計必需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。

具體對策例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，不過(guò)高熱傳導與反射率的互動(dòng)關(guān)系卻成為另一個(gè)棘手問(wèn)題，一般認為未來(lái)若能提高熱傳導率低于氮化鋁的氧化鋁的反射率，對高功率LED的封裝材料具有正面幫助。

　　結語(yǔ)

以上介紹LED封裝用金屬系基板的發(fā)展動(dòng)向，與陶瓷系封裝基板的散熱設計技術(shù)。隨著(zhù)LED大型化、大電流化、高功率化的發(fā)展，事實(shí)上單靠封裝基板單體并無(wú)法達成預期的散熱效，必需配合封裝基板周邊的散熱材料，以及LED封裝結構才能進(jìn)行有效的散熱。因此未來(lái)必需持續開(kāi)發(fā)周邊相關(guān)技術(shù)，LED才能夠實(shí)現次世代光源的終極目標。