深度解讀:高功率LED封裝基板技術(shù)

　　前言

　　長(zhǎng)久以來(lái)顯示應(yīng)用一直是led發(fā)光組件主要訴求，并不要求LED高散熱性，因此LED大多直接封裝于傳統(tǒng)樹(shù)脂系基板，然而2000年以后隨著LED高輝度化與高效率化發(fā)展，尤其是藍(lán)光LED組件的發(fā)光效率獲得大幅改善，液晶、家電、汽車等業(yè)者也開(kāi)始積極檢討LED的適用性。

　　在此同時(shí)數(shù)字家電與平面顯示器急速普及化，加上LED單體成本持續(xù)下降，使得LED的應(yīng)用范圍，以及有意愿采用LED的產(chǎn)業(yè)范圍不斷擴(kuò)大，其中又以液晶面板廠商面臨歐盟頒布的危害性物質(zhì)限制指導(dǎo)(RoHS： Restriction of Hazardous Substances Directive)規(guī)范，因此陸續(xù)提出未來(lái)必需將水銀系冷陰極燈管(CCFL：Cold Cathode Fluor-escent Lamp)全面無(wú)水銀化的發(fā)展方針，其結(jié)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(duì)策成為非常棘手問(wèn)題，在此背景下具備高成本效益，類似金屬系基板等高散熱封裝基板的發(fā)展動(dòng)向，成為L(zhǎng)ED高效率化之后另一個(gè)備受囑目的焦點(diǎn)。

　　接著本文要介紹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(shè)計(jì)技術(shù)。

　　發(fā)展歷程

　　圖1是有關(guān)LED的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展變遷預(yù)測(cè)，如圖2所示使用高功率LED時(shí)，LED產(chǎn)生的熱量透過(guò)封裝基板與冷卻風(fēng)扇排放至空氣中。

以往LED的輸出功率較小，可以使用傳統(tǒng)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% ，而且芯片面積非常小，雖然整體消費(fèi)電力非常低，不過(guò)單位面積的發(fā)熱量卻很大。

如上所述汽車、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(圖3)，一般民生業(yè)者對(duì)高功率LED期待的特性分別是省電、高輝度、長(zhǎng)使用壽命、高色再現(xiàn)性，這意味著高散熱性是高功率LED封裝基板不可欠缺的條件。

一般樹(shù)脂基板的散熱極限只支持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(duì)LED的壽命與性能有直接影響，因此封裝基板成為設(shè)計(jì)高輝度LED商品應(yīng)用時(shí)非常重要的組件。

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(圖4) ，硬質(zhì)系基板屬于傳統(tǒng)金屬基板，金屬基材的厚度通常大于1mm，硬質(zhì)系基板廣泛應(yīng)用在LED燈具模塊與照明模塊，技術(shù)上它是與鋁質(zhì)基板同等級(jí)高熱傳導(dǎo)化的延伸，未來(lái)可望應(yīng)用在高功率LED的封裝。

可撓曲系基板的出現(xiàn)是為了滿足汽車導(dǎo)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)而形成同時(shí)兼具高熱傳導(dǎo)性與可撓曲特性的高功率LED封裝基板。

硬質(zhì)系基板的特性

圖5是硬質(zhì)金屬系封裝基板的基本結(jié)構(gòu)，它是利用傳統(tǒng)樹(shù)脂基板或是陶瓷基板，賦予高熱傳導(dǎo)性、加工性、電磁波遮蔽性、耐熱沖擊性等金屬特性，構(gòu)成新世代高功率LED封裝基板。

如圖所示它是利用環(huán)氧樹(shù)脂系接著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，可以制成各種用途的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封裝基板使用為鋁與銅等材料，絕緣層大多使用充填高熱傳導(dǎo)性無(wú)機(jī)填充物(Filler)的填充物環(huán)氧樹(shù)脂。

鋁質(zhì)基板是應(yīng)用鋁的高熱傳導(dǎo)性與輕量化特性制成高密度封裝基板，目前已經(jīng)應(yīng)用在冷氣空調(diào)的轉(zhuǎn)換器(Inverter)、通訊設(shè)備的電源基板等領(lǐng)域，鋁質(zhì)基板同樣適用于高功率LED的封裝。

圖6是各種金屬系封裝基板的特性比較，一般而言金屬封裝基板的等價(jià)熱傳導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)大約是2W/m?K，為滿足客戶4~6W/m?K高功率化的需要，業(yè)者已經(jīng)推出等價(jià)熱傳導(dǎo)率超過(guò)8W/m?K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的封裝，因此各封裝基板廠商正積極開(kāi)發(fā)可以提高熱傳導(dǎo)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。圖7與圖8是仿真分析LED芯片發(fā)熱量為1W時(shí)，2W/m ?K一般封裝基板與8W/m?K超高熱傳導(dǎo)封裝基板正常使用狀態(tài)下的溫度分布特性。

由圖8可知使用高熱傳導(dǎo)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(shè)計(jì)，透過(guò)散熱膜片與封裝基板的組合，還可望延長(zhǎng)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(shù)非常大，類似低熱膨脹系數(shù)陶瓷系芯片組件焊接時(shí)，容易受到熱循環(huán)沖擊，如果高功率LED的封裝使用氮化鋁時(shí)，金屬系封裝基板可能會(huì)發(fā)生不協(xié)調(diào)問(wèn)題，因此必需設(shè)法吸收LED模塊的各材料熱膨脹系數(shù)差異造成的熱應(yīng)力，藉此緩和熱應(yīng)力提高封裝基板的可靠性。

可撓曲系基板的特性

可撓曲基板的主要用途大多集中在布線用基板，以往高功率晶體管與IC等高發(fā)熱組件幾乎不使用可撓曲基板，最近幾年液晶顯示器為滿足高輝度化需求，強(qiáng)烈要求可撓曲基板可以高密度設(shè)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(bǔ)強(qiáng)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。

圖9是高熱傳導(dǎo)撓曲基板的斷面結(jié)構(gòu)，它是在絕緣層黏貼金屬箔，雖然基本結(jié)構(gòu)則與傳統(tǒng)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(dǎo)性無(wú)機(jī)填充物的材料，具有與硬質(zhì)金屬系封裝基板同等級(jí)8W/m?K的熱傳導(dǎo)性，同時(shí)還兼具柔軟可撓曲、高熱傳導(dǎo)特性與高可靠性(表1)，此外可撓曲基板還可以依照客戶需求，將單面單層面板設(shè)計(jì)成單面雙層、雙面雙層結(jié)構(gòu)。

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

圖10是高熱傳導(dǎo)撓曲基板與傳統(tǒng)聚亞酰胺(Polyi-mide)撓曲基板，設(shè)置1W高功率LED時(shí)的散熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果，聚亞酰胺基板的厚度為25μm，基板的散熱采用自然對(duì)流方式。