1、高功率LED 的封装基板 发 展趋势相关专题：电子资讯时间：2011-09-21 11:01 来源： 华强电子网长久以来显示应用一直是led 发光元件主要诉求，并不要求LED 高散热性，因此LED 大多直接封装于一般树脂系基板，然而2000年以后随著LED 高辉度化与高效率化发展，尤其是蓝光LED 元件的发光效率获得大幅改善，液晶、家电、汽车等 业者也开始积极检讨LED 的适用性。现今数码家电与平面显示器急速普及化，加上LED 单体成本持续下降，使得LED 应用范围，以及有意愿采用LED 的产业范围不断扩大，其中又以液晶面板厂商面临欧盟颁布的危害性物质限制指导(RoHS: Restrictio
2、n of Hazardous Substances Directive规范，而陆续提出未来必须将水银系冷阴极灯管(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp 全面无水银化的发展方针，其 结果造成高功率LED 的需求更加急迫。技术上高功率LED 封装后的商品，使用时散热对 策实为非常棘手，而此背景下具备高成本效率，且 类似金属系基板等高散热封装基板的产品发展动向，成为LED 高效率化之后另1个备受嘱目的焦点。环氧树脂已不符合高功率需求以往LED 的输出功率较小，可以使用 传统FR4 等玻璃环氧树脂封装基板，然而照明用高功率LED 的发光效率只有20%30% ，且芯片面
3、积非常小，虽然整体消费电力非常低，不过单位面积的发热量却很大。汽车、照明与一般民生业者已经开始积极检讨LED 的适用性，业者对高功率LED 期待的特性分别是省电、高 辉度、 长使用寿命、高色彩再现性，这意味著散热性佳是高功率LED 封装基板不可欠缺的条件。树脂基板的散热极限多半只支持0.5W 以下的LED ，超过0.5W 以上的LED 封装大多改用金属系与陶瓷系高散热基板，主要原因是基板的散热性对LED 的寿命与性能有直接影响，因此封装基板成为设计高辉度LED 商品应用时非常重要的元件。金属系高散热基板又分成硬质(rigid与可挠曲(flexible系基板两种，硬质系基板属于传统金属基板，金属
4、基材的厚度通常大于1mm ，广泛应用在LED 灯具模块与照明模块，技术 上它与铝质基板相同等级高热传导化的延伸，未来可望应用在高功率LED 封装。可挠曲系基板的出现是为了满足汽车导航仪等中型LCD 背光模块薄形化，以及高功率 LED 三次元封装要求的前提下，透过铝质基板薄板化赋予封装基板可挠曲特性，进而形成兼具高热传导性与可挠曲性的高功率LED 封装基板。高效率化金属基板备受关注硬质金属系封装基板是利用传统树脂基板或是陶瓷基板，赋予高热传导性、加工性、电 磁波遮蔽性、耐热冲击性等金属特性，构成新世代高功率 LED 封装基板。高功率LED 封装基板是利用环氧树脂系接著剂将铜箔黏贴在金属基材的表面
5、，透过金属基材与绝缘层材质的组合变化，制成各种用途的LED 封装基板。高散热性是高功率LED 封装用基板不可或缺的基本特性，因此上述金属系 LED 封装基板使用铝与铜等材料， 绝缘层大多使用高热传导性无机填充物(Filler 的环氧树脂。铝质 基板是应用铝的高 热传导性与轻量化特性制成高密度封装基板，目前已经应用在冷气空调的转换器(Inverter 、通 讯设备的电源基板等领域，也同样适用于高功率LED 封装。一般而言，金属封装基板的等价热传导率标准大约是2W/mK，为满足客户46W/mK高功率化的需要，业者已经推出等价且热传导率超过8W/mK的金属系封装基板。由于硬质金属系封装基板主要目的是
6、支持高功率LED 封装，因此各封装基板厂商正积极开发可以提高热传导率的技术。硬质金属系封装基板的主要特征是高散热性。高热传导性绝缘层封装基板，可以大幅降低LED 芯片的温度。此外基板的散热设计，透 过散热膜片与封装基板组合， 还望延长LED 芯片的使用寿命。金属系封装基板的缺点是基材的金属热膨胀系数非常大，与低热膨胀系数陶瓷系芯片元件焊接时情形相似，容易受到热循环冲击，如果高功率LED 封装使用氮化铝时，金属系封装基板可能会发生不协调的问题，因此必须设法吸收LED 模块各材料热膨胀系数差异造成的热应力，藉此缓和热应力进而提高封装基板的可靠性。封装基板业者积极开发可挠曲基板可挠曲基板的主要用途大
7、多集中在布线用基板，以往高功率晶体管与IC 等高发热元件几乎不使用可挠曲基板，最近几年液晶显示器为满足高辉度化需求，强烈要求可挠曲基板可以高密度设置高功率LED ，然而LED 的发热造成LED 使用寿命降低，却成为非常棘手的技术课题， 虽然利用 铝板质补强板可以提高散热性，不过 却有成本与组装性的限制，无法根本解决 问题 。高热传导挠曲基板在绝缘层黏贴金属箔，虽然基本结构则与传统挠曲基板完全相同，不过绝缘层采用软质环 氧树脂充填高热传导性无机填充物的材料，具有与硬质金属系封装基板同等级8W/mK的热传导性，同时兼具柔软可挠曲、高热传导特性与高可靠性。此外可挠曲基板还可以依照客户需求，将单面单层
8、面板设计成单面双层、双面双层结构。高热传导挠曲基板的主要特征是可以设置高发热元件，并作三次元组装，亦即可以发挥自由弯曲特性，进 而获得高组装空间利用率。根据实验结果显示使用高热传导挠曲基板时，LED 的温度约降低100C ，此意味温度造成LED 使用寿命的降低可望获得改善。事实上除了高功率LED 之外，高热传导挠曲基板还 可以设置其它高功率半导体元件，适用于局促空间或是高密度封装等要求高散热等领域。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，例如配合3W/mK的热传导性膜片，可以有效提高LED 模块的散热性与组装作业性。陶瓷封装基
9、板对热歪斜非常有利如上所述白光LED 的发热 随著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 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 芯片高功率化常用方式分别包括了：LED 芯片大型化、改善LED 芯片发光效率、采用高取光效率封装，以及大电流化等等。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著上升。因为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
10、，首先必须 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 封装要求LED 芯片产生的光线可以高效率取至外部，因此封装必须具备高强度、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，此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 芯片设置在基板上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 芯片差异相当大，当温度变 化非常大或是封装作业不当时极易产生热歪斜，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
11、困扰，针对上述问题，具 备接近LED 芯片的 热膨胀系数的陶瓷，可说是对热歪斜 对策非常有利的材料。高功率加速陶汰树脂材料LED 封装用陶瓷材料分成氧化铝与氮化铝，氧化铝的热传导率是环氧树脂的55倍，氮化铝则是环氧树脂的400倍，因此目前高功率LED 封装用基板大多使用热传导率为200W/mK的铝，或是热传导率为400W/mK的铜质金属封装基板。半导体IC 芯片的接合剂分别使用环氧系接合剂、玻璃、焊锡、金共晶合金等材料。LED 芯片用接合剂除了上述高热传导性之外，基于接合时降低热应力等观点，还要求低温接合与低杨氏系数等等，而符合这些条件的接合剂分别是环氧系接合剂充填银的环氧树脂，与金共晶合金系
12、的 Au-20%Sn。接合剂的包覆面积与LED 芯片的面积几乎相同，因此无法期待水平方向的热扩散，只能寄望于垂直方向的高热传导性。根据模拟分析结果显示LED 接合部的温差，热传导性非常优秀的Au-Sn 比低散热性银充填环氧树脂接合剂更优秀。LED 封装基板的散 热设计 ，大致分成 LED 芯片至框体的热传导、框体至外部的热传达两大方面。热传导的改善几乎完全仰赖材料的进化，一般认为随著LED 芯片大型化、大电流化、高功率化的发展，未来会加速金属与陶瓷封装取代 传统树脂封装方式，此外LED 芯片接合部是妨害散热的原因之一，因此薄接合技术成为今后改善的课题。提高LED 高热排放至外部的热传达特性，以
13、往大多使用冷却风扇与热交换器，由于噪音与设置空间等诸多限制，实际上包含消费者、照明灯具厂商在内，都不希望使用上述 强制性散热元件，这意味著非强 制散热设计必须大幅增加框体与外部接触的面积，同时提高封装基板与框体的散热性。具体对策如：高热传导铜层表面涂布利用远红外线促进热放射的挠曲散热薄膜等，根据实验结果证实使用 该挠曲散热薄膜的发热体散热效果，几乎与面积接近散热薄膜的冷却风扇相同，如果将挠曲散热薄膜黏贴在封装基板、框体，或是将涂抹 层直接涂布在封装基板、框体，理论上还可以提高散热 性。有关高功率LED 的封装结 构，要求能 够支持LED 芯片磊晶接合的微细布线技术; 有关材质的发展，虽然氮化 铝已经高热传导化，但高热传导与反射率的互动关系却成为另1个棘手问题，一般 认为未来若能提高氮化铝的热传导率，对高功率LED 的封装材料具有正面助益。
