深度解读:高功率LED封装基板技术

根据实验结果显示使用高热传导挠曲基板时，LED的温度大约降低100℃，这意味着温度造成LED使用寿命降低的问题可望获得改善。

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组件，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，例如图11的端缘发光型LED背光模块的新结构，配合~3W/m‧K的热传导性膜片，可以有效提高LED模块的散热性与LED模块的组装作业性。

　陶瓷系封装基板

如上所述白光LED的发热随着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的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，被视为是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芯片高功率化常用手法分别是：

　　●LED芯片大型化

　　●改善LED芯片的发光效率

　　●采用高取光效率的封装

　　●大电流化

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着上升。图12是LED投入电流与放射照度量测结果，由图可知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需解决散热问题。

　　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的封装要求LED芯片产生的光线可以高效率取至外部，因此封装必需具备高强度、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。

　　表2是陶瓷的主要材料物性一览，除此之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芯片差异非常大，当温度变化非常大或是封装作业不当时极易产生热歪斜(thermal strain；热剪应力)，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，有关这点具备接近LED芯片的热膨胀系数的陶瓷，可说是热歪斜对策非常有利的材料。

图13是高功率LED陶瓷封装的外观；图14是高功率LED陶瓷封装的基本结构，图14(b)的反射罩电镀银膜。它可以提高光照射率，图14(c)的陶瓷反射罩则与陶瓷基板呈一体结构。

　散热设计

　　图15表示LED内部理想性热流扩散模式，图15右图的实线表示封装内部P~Q之间高热流扩散分布非常平坦，由于热流扩散至封装整体均匀流至封装基板，其结果使得LED芯片正下方的温度大幅降低。

图16是以封装材的热传导率表示热扩散性的差异，亦即图15表示正常状态时的温度分布，与单位面积单位时间流动的热流束分布特性。

使用高热传导材时，封装内部的温差会变小，此时热流不会呈局部性集中，LED芯片整体产生的热流呈放射状流至封装内部各角落，换言之高热传导材料可以提高LED封装内部的热扩散性。

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55倍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的铝质，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，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。

　　图17是热传导差异对封装内部的温度分布，与热流束特性的模拟分析结果，封装基板使用氮化铝。根据仿真分析结果显示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。

有关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

两大部位。热传导的改善几乎完全仰赖材料的进化，一般认为随着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、下游系统应用厂商在内，都不希望使用强制性散热组件，这意味着非强制散热设计必需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。

具体对策例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，不过高热传导与反射率的互动关系却成为另一个棘手问题，一般认为未来若能提高热传导率低于氮化铝的氧化铝的反射率，对高功率LED的封装材料具有正面帮助。

　　结语

以上介绍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。随着LED大型化、大电流化、高功率化的发展，事实上单靠封装基板单体并无法达成预期的散热效，必需配合封装基板周边的散热材料，以及LED封装结构才能进行有效的散热。因此未来必需持续开发周边相关技术，LED才能够实现次世代光源的终极目标。