深度解读:高功率LED封装基板技术

　　前言

　　长久以来显示应用一直是led发光组件主要诉求，并不要求LED高散热性，因此LED大多直接封装于传统树脂系基板，然而2000年以后随着LED高辉度化与高效率化发展，尤其是蓝光LED组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。

　　在此同时数字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的应用范围，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，因此陆续提出未来必需将水银系冷阴极灯管(CCFL：Cold Cathode Fluor-escent 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，使用时散热对策成为非常棘手问题，在此背景下具备高成本效益，类似金属系基板等高散热封装基板的发展动向，成为LED高效率化之后另一个备受嘱目的焦点。

　　接着本文要介绍LED封装用金属系基板的发展动向，与陶瓷系封装基板的散热设计技术。

　发展历程

　　图1是有关LED的应用领域发展变迁预测，如图2所示使用高功率LED时，LED产生的热量透过封装基板与冷却风扇排放至空气中。

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% ，而且芯片面积非常小，虽然整体消费电力非常低，不过单位面积的发热量却很大。

如上所述汽车、照明与一般民生业者已经开始积极检讨LED的适用性(图3)，一般民生业者对高功率LED期待的特性分别是省电、高辉度、长使用寿命、高色再现性，这意味着高散热性是高功率LED封装基板不可欠缺的条件。

一般树脂基板的散热极限只支持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组件。

金属系高散热基板又分成硬质(rigid)与可挠曲(flexible)系基板两种(图4) ，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，硬质系基板广泛应用在LED灯具模块与照明模块，技术上它是与铝质基板同等级高热传导化的延伸，未来可望应用在高功率LED的封装。

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，进而形成同时兼具高热传导性与可挠曲特性的高功率LED封装基板。

硬质系基板的特性

图5是硬质金属系封装基板的基本结构，它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。

如图所示它是利用环氧树脂系接着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，可以制成各种用途的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封装基板使用为铝与铜等材料，绝缘层大多使用充填高热传导性无机填充物(Filler)的填充物环氧树脂。

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，铝质基板同样适用于高功率LED的封装。

图6是各种金属系封装基板的特性比较，一般而言金属封装基板的等价热传导率标准大约是2W/m‧K，为满足客户4~6W/m‧K高功率化的需要，业者已经推出等价热传导率超过8W/m‧K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的封装，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。图7与图8是仿真分析LED芯片发热量为1W时，2W/m ‧K一般封装基板与8W/m‧K超高热传导封装基板正常使用状态下的温度分布特性。

由图8可知使用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的组合，还可望延长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，类似低热膨胀系数陶瓷系芯片组件焊接时，容易受到热循环冲击，如果高功率LED的封装使用氮化铝时，金属系封装基板可能会发生不协调问题，因此必需设法吸收LED模块的各材料热膨胀系数差异造成的热应力，藉此缓和热应力提高封装基板的可靠性。

可挠曲系基板的特性

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等高发热组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。

图9是高热传导挠曲基板的断面结构，它是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/m‧K的热传导性，同时还兼具柔软可挠曲、高热传导特性与高可靠性(表1)，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组件，并作三次元组装，亦即它可以发挥自由弯曲特性，进而获得高组装空间利用率。

图10是高热传导挠曲基板与传统聚亚酰胺(Polyi-mide)挠曲基板，设置1W高功率LED时的散热实验结果，聚亚酰胺基板的厚度为25μm，基板的散热采用自然对流方式。