前言
長久以來,顯示應用一直是LED的主要訴求,對于LED的散熱性要求不甚高的情況下,LED多利用傳統樹脂基板進行封裝。
2000年以后,隨LED高輝度化與高效率化技術發(fā)展,再加上藍光LED發(fā)光效率大幅改善,與LED制造成本持續(xù)下滑,讓LED應用范圍、及有意愿采用LED的產業(yè)范圍不斷擴增,包括液晶、家電、汽車等業(yè)者,也開始積極考慮應用LED的可能性,例如消費性產品業(yè)者對于高功率LED的期待是,能達到省電、高輝度、長使用壽命、高色再現性,這代表著達到高散熱性能力,是高功率LED封裝基板不可欠缺的條件。
此外,液晶面板業(yè)者面臨歐盟RoHS規(guī)范,需正視將冷陰極燈管全面無水銀化的環(huán)保壓力,造成市場對于高功率LED的需求更加急迫。
LED封裝除了保護內部LED芯片外,還兼具LED芯片與外部作電氣連接、散熱等功能。
環(huán)氧樹脂特性已不符合高功率LED需求
1個LED能達到幾百流明,這基本上不是大問題,主要的問題是,如何去處理散熱?接下來在產生這么大的流明后,如何維持亮度的穩(wěn)定與持續(xù)性,這又是另一個重要課題,若熱處理沒有做好的話,LED的亮度和壽命會下降很快,對于LED來說,如何做到有效的可靠度和熱傳導,是非常重要。
以往LED是使用低熱傳導率樹脂進行封裝,不過這被視為是影響散熱特性的原因之一,此外,環(huán)氧樹脂耐熱性比較差,可能會出現的情況是,在LED芯片本身的壽命未到達前,環(huán)氧樹脂就已呈現變^況,因此,提高散熱性已是重要關鍵。
除此之外,不僅因為熱現象會對環(huán)氧樹脂產生變化,甚至短波長也會對環(huán)氧樹脂造成問題,這是因為白光LED發(fā)光光譜中,也包含短波長光線,而環(huán)氧樹脂卻相當容易受白光LED中的短波長光線破壞,即使是低功率白光LED,已能使環(huán)氧樹脂破壞現象加劇,更何況高功率白光LED所發(fā)出的短波長光線更多,惡化自然比低功率款式更加快速,甚至有些產品在連續(xù)點亮后的使用壽命僅5,000小時,甚至更短!所以,與其不斷克服因舊有封裝材料“環(huán)氧樹脂”帶來的變色困擾,不如朝尋求新1代的封裝材料努力。
圖1:環(huán)氧樹脂耐熱性比較差,在LED芯片本身的壽命到達前,環(huán)氧樹脂就已出現變色
金屬基板成新焦點
因此最近幾年逐漸改用高熱傳導陶瓷,或是金屬樹脂封裝結構,就是為了解決散熱、與強化原有特性做的努力。LED芯片高功率化常用方式是:芯片大型化、改善發(fā)光效率、采用高取光效率的封裝、及大電流化。這類做法雖然電流發(fā)光量會呈比例增加,不過發(fā)熱量也會隨之上升。
對高功率LED封裝技術上而言,由于散熱的問題造成了一定程度的困擾,在此背景下具有高成本效益的金屬基板技術,就成了LED高效率化之后另1個備受關心的新發(fā)展。
過去由于LED輸出功率較小,因此使用傳統FR4等玻璃環(huán)氧樹脂封裝基板,并不會造成太大的散熱問題,但應用于照明用的高功率LED,其發(fā)光效率約為20%~30%左右,雖芯片面積相當小,整體消費電力也不高,不過單位面積的發(fā)熱量卻很大。
一般來說,樹脂基板的散熱,只能夠支持0。5W以下的LED,超過0。5W以上的LED,多改用金屬或陶瓷高散熱基板進行封裝,主要原因是,基板的散熱性直接影響LED壽命與性能,因此封裝基板成為設計高輝度LED商品的開發(fā)重點。
圖2:LED芯片大多利用芯片大型化、改善發(fā)光效率、采高取光效率封裝,及大電流化達高亮度目標
高功率加速金屬基板取代樹脂材料
關于LED封裝基板散熱設計,目前大致可以分成,LED芯片至封裝體的熱傳導、及封裝體至外部的熱傳達兩大部分。使用高熱傳導材時,封裝內部的溫差會變小,此時熱流不會呈局部性集中,LED芯片整體產生的熱流,呈放射狀流至封裝內部各角落,所以利用高熱傳導材料,可提高內部的熱擴散性。
就熱傳導的改善來說,幾乎是完全仰賴材料提升來解決問題。多數人均認為,隨LED芯片大型化、大電流化、高功率化發(fā)展,會加速金屬封裝取代傳統樹脂封裝方式。
就目前金屬高散熱基板材料而言,可分成硬質與可撓曲兩種基板,結構上,硬質基板屬于傳統金屬材料,金屬LED封裝基板采鋁與銅等材料,絕緣層部分,大多采充填高熱傳導性無機填充物,擁有高熱傳導性、加工性、電磁波遮蔽性、耐熱沖擊性等金屬特性,厚度方面通常大于1mm,大多都廣泛應用在LED燈具模塊,與照明模塊等,技術上是與鋁質基板具相同高熱傳導能力,在高散熱要求下,相當有能力擔任高功率LED封裝材料。
各封裝基板業(yè)者正積極開發(fā)可撓曲基板
可撓曲基板的出現,原期望應用在汽車導航的LCD背光模塊薄形化需求而開發(fā),以及高功率LED可以完成立體封裝要求下產生,基本上可撓曲基板以鋁為材料,是利應用鋁的高熱傳導性與輕量化特性,制成高密度封裝基板,透過鋁質基板薄板化后,達可撓曲特性,并且也能夠具高熱傳導特性
一般而言,金屬封裝基板熱傳導率大約是2W/(mK),但由于高效率LED的熱效應更高,所以為了滿足達到4~6W/(mK)熱傳導率的需要,目前已有熱傳導率超過8W/(mK)的金屬封裝基板。由于硬質金屬封裝基板主要目的是,能夠滿足高功率LED的封裝,因此各封裝基板業(yè)者正積極開發(fā)可以提高熱傳導率的技術。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的限制,無法根本解決問題。
圖3:透過鋁質基板薄板化后,達可撓曲特性,并也能具有高熱傳導特性
不過,金屬封裝基板的缺點是,金屬熱膨脹系數很大,當與低熱膨脹系數陶瓷芯片焊接時,容易受熱循環(huán)沖擊,所以當使用氮化鋁封裝時,金屬封裝基板可能會發(fā)生不協調現象,因此必需克服LED中,各種不同熱膨脹系數材料,所造成的熱應力差異,提高封裝基板的可靠性。
高熱傳導撓曲基板,是在絕緣層黏貼金屬箔,雖然基本結構與傳統撓曲基板完全相同,不過在絕緣層方面,是采用軟質環(huán)氧樹脂充填高熱傳導性無機填充物,因此具有8W/(mK)的高熱傳導性,同時還兼具柔軟可撓曲、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,可將單面單層板設計成單面雙層、雙面雙層結構。根據實驗結果顯示,使用高熱傳導撓曲基板時,LED的溫度大約降低攝氏100度,這代表著溫度造成LED使用壽命降低的問題,將可因變更基板設計而大幅改善。
事實上,除大功率LED外,高熱傳導撓曲基板,還可應用在其它高功率半導體組件上,適用于空間有限、或是高密度封裝等環(huán)境。不過,僅僅依賴封裝基板,往往無法滿足實際需求,因此基板外圍材料的配合也變得益形重要,例如配合3W/(mK)的熱傳導性膜片,就能夠有效再提高其散熱性。