工程師黃明星 發表於 2018-08-08 14:09:35
長久以來顯示應用一直是led發光元件主要訴求，並不要求LED高散熱性，因此LED大多直接封裝於一般樹脂系基板，然而2000年以後隨著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應用範圍，以及有意願採用LED的產業範圍不斷擴大，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:Restrictionof Hazardous Substances Directive）規範，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封裝後的商品，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高效率化之後另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%，且晶片面積非常小，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，硬質系基板屬於傳統金屬基板，金屬基材的厚度通常大於1mm，廣泛應用在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、耐熱衝擊性等金屬特性，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，製成各種用途的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製成高密度封裝基板，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，也同樣適用於高功率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。由於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徵是高散熱性。高熱傳導性絕緣層封裝基板，可以大幅降低LED晶片的溫度。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晶片的使用壽命。
金屬系封裝基板的缺點是基材的金屬熱膨脹係數非常大，與低熱膨脹係數陶瓷系晶片元件焊接時情形相似，容易受到熱循環衝擊，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模塊各材料熱膨脹係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，以往高功率電晶體與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，不過絕緣層採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徵是可以設置高發熱元件，並作三次元組裝，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，適用於侷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晶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晶片高功率化常用方式分別包括了：LED晶片大型化、改善LED晶片發光效率、採用高取光效率封裝，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晶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晶片發熱所造成，因此LED晶片高功率化時，首先必須解決散熱問題。
LED的封裝除了保護內部LED晶片之外，還兼具LED晶片與外部作電氣連接、散熱等功能。LED封裝要求LED晶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晶片設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係數與LED晶片差異相當大，當溫度變化非常大或是封裝作業不當時極易產生熱歪斜，進而引發晶片瑕疵或是發光效率降低。
未來LED晶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晶片的熱膨脹係數的陶瓷，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晶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晶片用接合劑除了上述高熱傳導性之外，基於接合時降低熱應力等觀點，還要求低溫接合與低楊氏係數等等，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晶片的面積幾乎相同，因此無法期待水平方向的熱擴散，只能寄望於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晶片至框體的熱傳導、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晶片大型化、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晶片接合部是妨害散熱的原因之一，因此薄接合技術成為今後改善的課題。
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，由於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：高熱傳導銅層表面塗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，或是將塗抹層直接塗布在封裝基板、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晶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係卻成為另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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