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1、高功率LED封裝基板技術(shù)分析前言 技術(shù)上高功率LED封裝后的商品，使用時散熱對策成為非常棘手問題，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)展動向，成為led高效率化之后另一個備受囑目的焦點。 本文要介紹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)?！ “l(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，如圖2所示使用高功率LED時，LED產(chǎn)生的熱量透過封裝基板與冷卻風扇排放至空氣中?！ ∫酝鵏ED的輸出功率較小，可以使用傳統(tǒng)FR4等玻璃環(huán)氧樹脂封裝基板，然而照明用高功率LED的發(fā)光效率只有20~30%，而且芯片面
2、積非常小，雖然整體消費電力非常低，不過單位面積的發(fā)熱量卻很大?！ ∪缟纤銎嚒⒄彰髋c一般民生業(yè)者已經(jīng)開始積極檢討LED的適用性(圖3)，一般民生業(yè)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?！ ∫话銟渲宓纳針O限只支持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(shè)計高輝度LED商品應(yīng)用時非常重要的組件?！ 〗饘傧蹈呱峄逵址殖捎操|(zhì)(rigid)與可撓曲(flex
3、ible)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)基板同等級高熱傳導化的延伸，未來可望應(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(zhì)基板薄板化賦予封裝基板可撓曲特性，進而形成同時兼具高熱傳導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
4、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(zhì)的組合變化，可以制成各種用途的LED封裝基板?！ 「呱嵝允歉吖β蔐ED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性無機填充物(Filler)的填充物環(huán)氧樹脂。?鋁質(zhì)基板是應(yīng)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(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?！ D6是各種金屬系封裝基板
5、的特性比較，一般而言金屬封裝基板的等價熱傳導率標準大約是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)推出等價熱傳導率超過8W/m?K的金屬系封裝基板?！ ∮捎谟操|(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發(fā)可以提高熱傳導率的技術(shù)?！ ∮操|(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，2W/m?K一般封裝基板與8W/m?K超高熱傳導封裝基板正常使用狀態(tài)下的溫度分布特性?！ ∮蓤D8可知使用高熱傳導性絕緣層封裝基板，可以大幅降低LED芯片的溫度。此外基板的散熱設(shè)計，透過散熱膜
6、片與封裝基板的組合，還可望延長LED芯片的使用壽命?！ 〗饘傧捣庋b基板的缺點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，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，金屬系封裝基板可能會發(fā)生不協(xié)調(diào)問題，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?！ 】蓳锨祷宓奶匦浴 】蓳锨宓闹饕猛敬蠖嗉性诓季€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
7、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。 圖9是高熱傳導撓曲基板的斷面結(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，不過絕緣層采用軟質(zhì)環(huán)氧樹脂充填高熱傳導性無機填充物的材料，具有與硬質(zhì)金屬系封裝基板同等級8W/m?K的熱傳導性，同時還兼具柔軟可撓曲、高熱傳導特性與高可靠性(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)計成單面雙層、雙面雙層結(jié)構(gòu)?！ 「邿醾鲗锨宓闹饕卣魇强梢栽O(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
8、特性，進而獲得高組裝空間利用率?！ D10是高熱傳導撓曲基板與傳統(tǒng)
