高功率LED的封装结构分析

　　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: Restriction 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。

　　图说：环氧树脂耐热性比较差，在LED芯片本身的寿命结束前，环氧树脂就已经出现变色。

　　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，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4~6W/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。

　　图说：LED芯片大多利用芯片大型化、改善发光效率、采用高取光效率的封装，及大电流化，以达到高亮度的目标。

　　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。

　　图说：透过铝质基板薄板化后，达到可挠曲的特性，且能具有高热传导特性。

　　陶瓷封装基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，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芯片设置在金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。