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高功率LED的封裝基板發展趨勢

2011-09-20

  長久以來顯示應用一直是led發光元件主要訴求,并不要求LED高散熱性,因此LED大多直接封裝于一般樹脂系基板" title="基板">基板,然而2000年以后隨著LED高輝度化與高效率化發展,尤其是藍光LED元件的發光效率獲得大幅改善,液晶、家電、汽車等業者也開始積極檢討LED的適用性。

  現今數碼家電與平面顯示器急速普及化,加上LED單體成本持續下降,使得LED應用范圍,以及有意愿采用LED的產業范圍不斷擴大,其中又以液晶面板廠商面臨歐盟頒布的危害性物質限制指導(RoHS: Restriction of Hazardous Substances Directive)規范,而陸續提出未來必須將水銀系冷陰極燈管(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)全面無水銀化的發展方針,其結果造成高功率LED的需求更加急迫。

  技術上高功率LED封裝" title="LED封裝">LED封裝后的商品,使用時散熱對策實為非常棘手,而此背景下具備高成本效率,且類似金屬系基板等高散熱封裝基板的產品發展動向,成為LED高效率化之后另1個備受囑目的焦點。

  環氧樹脂已不符合高功率需求

  以往LED的輸出功率較小,可以使用傳統FR4等玻璃環氧樹脂封裝基板,然而照明用高功率LED的發光效率只有20%~30%,且芯片面積非常小,雖然整體消費電力非常低,不過單位面積的發熱量卻很大。

  汽車、照明與一般民生業者已經開始積極檢討LED的適用性,業者對高功率LED期待的特性分別是省電、高輝度、長使用壽命、高色彩再現性,這意味著散熱性佳是高功率LED封裝基板不可欠缺的條件。

  樹脂基板的散熱極限多半只支持0.5W以下的LED,超過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LED的壽命與性能有直接影響,因此封裝基板成為設計高輝度LED商品應用時非常重要的元件。

  金屬系高散熱基板又分成硬質(rigid)與可撓曲(flexible)系基板兩種,硬質系基板屬于傳統金屬基板,金屬基材的厚度通常大于1mm,廣泛應用在LED燈具" title="LED燈具">LED燈具模塊與照明模塊,技術上它與鋁質基板相同等級高熱傳導化的延伸,未來可望應用在高功率LED封裝。

  可撓曲系基板的出現是為了滿足汽車導航儀等中型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,透過鋁質基板薄板化賦予封裝基板可撓曲特性,進而形成兼具高熱傳導性與可撓曲性的高功率LED封裝基板。
  
  高效率化 金屬基板備受關注

  硬質金屬系封裝基板是利用傳統樹脂基板或是陶瓷基板,賦予高熱傳導性、加工性、電磁波遮蔽性、耐熱沖擊性等金屬特性,構成新世代高功率LED封裝基板。

  高功率LED封裝基板是利用環氧樹脂系接著劑將銅箔黏貼在金屬基材的表面,透過金屬基材與絕緣層材質的組合變化,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封裝基板使用鋁與銅等材料,絕緣層大多使用高熱傳導性無機填充物(Filler)的環氧樹脂。鋁質基板是應用鋁的高熱傳導性與輕量化特性制成高密度封裝基板,目前已經應用在冷氣空調的轉換器(Inverter)、通訊設備的電源基板等領域,也同樣適用于高功率LED封裝。

  一般而言,金屬封裝基板的等價熱傳導率標準大約是2W/mK,為滿足客戶4~6W/mK高功率化的需要,業者已經推出等價且熱傳導率超過8W/mK的金屬系封裝基板。由于硬質金屬系封裝基板主要目的是支持高功率LED封裝,因此各封裝基板廠商正積極開發可以提高熱傳導率的技術。

  硬質金屬系封裝基板的主要特征是高散熱性。高熱傳導性絕緣層封裝基板,可以大幅降低LED芯片" title="LED芯片">LED芯片的溫度。此外基板的散熱設計,透過散熱膜片與封裝基板組合,還望延長LED芯片的使用壽命。

  金屬系封裝基板的缺點是基材的金屬熱膨脹系數非常大,與低熱膨脹系數陶瓷系芯片元件焊接時情形相似,容易受到熱循環沖擊,如果高功率LED封裝使用氮化鋁時,金屬系封裝基板可能會發生不協調的問題,因此必須設法吸收LED模塊各材料熱膨脹系數差異造成的熱應力,藉此緩和熱應力進而提高封裝基板的可靠性。

  封裝基板業者積極開發可撓曲基板

  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等高發熱元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,強烈要求可撓曲基板可以高密度設置高功率LED,然而LED的發熱造成LED使用壽命降低,卻成為非常棘手的技術課題,雖然利用鋁板質補強板可以提高散熱性,不過卻有成本與組裝性的限制,無法根本解決問題。

  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,不過絕緣層采用軟質環氧樹脂充填高熱傳導性無機填充物的材料,具有與硬質金屬系封裝基板同等級8W/mK的熱傳導性,同時兼具柔軟可撓曲、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熱元件,并作三次元組裝,亦即可以發揮自由彎曲特性,進而獲得高組裝空間利用率。

  根據實驗結果顯示使用高熱傳導撓曲基板時,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域。

  有關類似照明用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性。

  陶瓷封裝基板對熱歪斜非常有利

  如上所述白光LED的發熱隨著投入電力強度的增加持續上升,LED芯片的溫升會造成光輸出降低,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。

  雖然提高電流發光量會呈比例增加,不過LED芯片的發熱量也會隨著上升。因為在高輸入領域放射照度呈現飽和與衰減現象,這種現象主要是LED芯片發熱所造成,因此LED芯片高功率化時,首先必須解決散熱問題。

  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芯片產生的光線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羅上述所有特性,此外陶瓷耐熱性與耐光線劣化性也比樹脂優秀。

  傳統高散熱封裝是將LED芯片設置在基板上

  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與LED芯片差異相當大,當溫度變化非常大或是封裝作業不當時極易產生熱歪斜,進而引發芯片瑕疵或是發光效率降低。

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

  高功率加速陶汰樹脂材料

  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氧樹脂的55倍,氮化鋁則是環氧樹脂的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的銅質金屬封裝基板。

  半導體IC芯片的接合劑分別使用環氧系接合劑、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,基于接合時降低熱應力等觀點,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氧系接合劑充填銀的環氧樹脂,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,熱傳導性非常優秀的Au-Sn比低散熱性銀充填環氧樹脂接合劑更優秀。

  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材料的進化,一般認為隨著LED芯片大型化、大電流化、高功率化的發展,未來會加速金屬與陶瓷封裝取代傳統樹脂封裝方式,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扇與熱交換器,由于噪音與設置空間等諸多限制,實際上包含消費者、照明燈具廠商在內,都不希望使用上述強制性散熱元件,這意味著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促進熱放射的撓曲散熱薄膜等,根據實驗結果證實使用該撓曲散熱薄膜的發熱體散熱效果,幾乎與面積接近散熱薄膜的冷卻風扇相同,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技術;有關材質的發展,雖然氮化鋁已經高熱傳導化,但高熱傳導與反射率的互動關系卻成為另1個棘手問題,一般認為未來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。

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