高功率LED的封裝結構分析

長久以來顯示應用一直是led發光元件主要訴求，并不要求LED高散熱性，因此LED大多直接封裝于一般樹脂系基板，然而2000年以后隨著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應用范圍，以及有意愿采用LED的產業范圍不斷擴大，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: Restriction of Hazardous Substances Directive)規范，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封裝后的商品，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高效率化之后另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%，且芯片面積非常小，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，硬質系基板屬于傳統金屬基板，金屬基材的厚度通常大于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。

　　圖說：環氧樹脂耐熱性比較差，在LED芯片本身的壽命結束前，環氧樹脂就已經出現變色。

　　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、耐熱沖擊性等金屬特性，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，制成各種用途的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制成高密度封裝基板，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，也同樣適用于高功率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。由于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征是高散熱性。高熱傳導性絕緣層封裝基板，可以大幅降低LED芯片的溫度。此外基板的散熱設計，透過散熱膜片與封裝基板組合，還望延長LED芯片的使用壽命。

　　金屬系封裝基板的缺點是基材的金屬熱膨脹系數非常大，與低熱膨脹系數陶瓷系芯片元件焊接時情形相似，容易受到熱循環沖擊，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模塊各材料熱膨脹系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。

　　圖說：LED芯片大多利用芯片大型化、改善發光效率、采用高取光效率的封裝，及大電流化，以達到高亮度的目標。