深度解讀:高功率LED封裝基板技術(shù)

根據(jù)實驗結(jié)果顯示使用高熱傳導(dǎo)撓曲基板時，LED的溫度大約降低100℃，這意味著溫度造成LED使用壽命降低的問題可望獲得改善。

事實上除了高功率LED之外，高熱傳導(dǎo)撓曲基板還可以設(shè)置其它高功率半導(dǎo)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)類似照明用LED模塊的散熱特性，單靠封裝基板往往無法滿足實際需求，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(jié)構(gòu)，配合~3W/m?K的熱傳導(dǎo)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)熱隨著投入電力強度的增加持續(xù)上升，LED芯片的溫升會造成光輸出降低，因此LED的封裝結(jié)構(gòu)與使用材料的檢討非常重要。

以往LED使用低熱傳導(dǎo)率樹脂封裝，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(dǎo)陶瓷，或是設(shè)有金屬板的樹脂封裝結(jié)構(gòu)。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)光量會呈比例增加，不過LED芯片的發(fā)熱量也會隨著上升。圖12是LED投入電流與放射照度量測結(jié)果，由圖可知在高輸入領(lǐng)域放射照度呈現(xiàn)飽和與衰減現(xiàn)象，這種現(xiàn)象主要是LED芯片發(fā)熱所造成，因此LED芯片高功率化時首先必需解決散熱問題。

　　LED的封裝除了保護(hù)內(nèi)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(dǎo)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劣化性也比樹脂優(yōu)秀。

傳統(tǒng)高散熱封裝是將LED芯片設(shè)置在金屬基板上周圍再包覆樹脂，然而這種封裝方式的金屬熱膨脹系數(shù)與LED芯片差異非常大，當(dāng)溫度變化非常大或是封裝作業(yè)不當(dāng)時極易產(chǎn)生熱歪斜(thermal strain；熱剪應(yīng)力)，進(jìn)而引發(fā)芯片瑕疵或是發(fā)光效率降低。

未來LED芯片面臨大型化發(fā)展時，熱歪斜問題勢必變成無法忽視的困擾，有關(guān)這點具備接近LED芯片的熱膨脹系數(shù)的陶瓷，可說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；圖14是高功率LED陶瓷封裝的基本結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。

　散熱設(shè)計

　　圖15表示LED內(nèi)部理想性熱流擴散模式，圖15右圖的實線表示封裝內(nèi)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(jié)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(dǎo)率表示熱擴散性的差異，亦即圖15表示正常狀態(tài)時的溫度分布，與單位面積單位時間流動的熱流束分布特性。

使用高熱傳導(dǎo)材時，封裝內(nèi)部的溫差會變小，此時熱流不會呈局部性集中，LED芯片整體產(chǎn)生的熱流呈放射狀流至封裝內(nèi)部各角落，換言之高熱傳導(dǎo)材料可以提高LED封裝內(nèi)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(dǎo)率是環(huán)氧樹脂的55倍，氮化鋁則是環(huán)氧樹脂的55倍400倍，因此目前高功率LED封裝用基板大多使用熱傳導(dǎo)率為200W/mK的鋁質(zhì)，或是熱傳導(dǎo)率為400W/mK的銅質(zhì)金屬封裝基板。

半導(dǎo)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(dǎo)性之外，基于接合時降低熱應(yīng)力等觀點，還要求低溫接合與低楊氏系數(shù)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(dǎo)性。

　　圖17是熱傳導(dǎo)差異對封裝內(nèi)部的溫度分布，與熱流束特性的模擬分析結(jié)果，封裝基板使用氮化鋁。根據(jù)仿真分析結(jié)果顯示LED接合部的溫差，熱傳導(dǎo)性非常優(yōu)秀的Au-Sn比低散熱性銀充填環(huán)氧樹脂接合劑更優(yōu)秀。

有關(guān)LED封裝基板的散熱設(shè)計，大致分成：

　　●LED芯片至框體的熱傳導(dǎo)

　　●框體至外部的熱傳達(dá)

兩大部位。熱傳導(dǎo)的改善幾乎完全仰賴材料的進(jìn)化，一般認(rèn)為隨著LED芯片大型化、大電流化、高功率化的發(fā)展，未來會加速金屬與陶瓷封裝取代傳統(tǒng)樹脂封裝方式 。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(dá)特性，以往大多使用冷卻風(fēng)扇與熱交換器，由于噪音與設(shè)置空間等諸多限制，實際上包含消費者、下游系統(tǒng)應(yīng)用廠商在內(nèi)，都不希望使用強制性散熱組件，這意味著非強制散熱設(shè)計必需大幅增加框體與外部接觸的面積，同時提高封裝基板與框體的散熱性。

具體對策例如高熱傳導(dǎo)銅層表面涂布“利用遠(yuǎn)紅外線促進(jìn)熱放射的撓曲散熱薄膜”等等，根據(jù)實驗結(jié)果證實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(jié)構(gòu)，要求能夠支持LED芯片磊晶接合的微細(xì)布線技術(shù)；有關(guān)材質(zhì)的發(fā)展，雖然氮化鋁已經(jīng)高熱傳導(dǎo)化，不過高熱傳導(dǎo)與反射率的互動關(guān)系卻成為另一個棘手問題，一般認(rèn)為未來若能提高熱傳導(dǎo)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(jié)語

以上介紹LED封裝用金屬系基板的發(fā)展動向，與陶瓷系封裝基板的散熱設(shè)計技術(shù)。隨著LED大型化、大電流化、高功率化的發(fā)展，事實上單靠封裝基板單體并無法達(dá)成預(yù)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(jié)構(gòu)才能進(jìn)行有效的散熱。因此未來必需持續(xù)開發(fā)周邊相關(guān)技術(shù)，LED才能夠?qū)崿F(xiàn)次世代光源的終極目標(biāo)。