高功率LED的封裝結構分析

　　可撓曲基板的主要用途大多集中在布線用基板，以往高功率晶體管與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，不過絕緣層采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征是可以設置高發熱元件，并作三次元組裝，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，適用于局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。

　　圖說：透過鋁質基板薄板化后，達到可撓曲的特性，且能具有高熱傳導特性。

　　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芯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芯片高功率化常用方式分別包括了：LED芯片大型化、改善LED芯片發光效率、采用高取光效率封裝，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芯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芯片發熱所造成，因此LED芯片高功率化時，首先必須解決散熱問題。

　　LED的封裝除了保護內部LED芯片之外，還兼具LED芯片與外部作電氣連接、散熱等功能。LED封裝要求LED芯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芯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系數與LED芯片差異相當大，當溫度變化非常大或是封裝作業不當時極易產生熱歪斜，進而引發芯片瑕疵或是發光效率降低。

　　未來LED芯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芯片的熱膨脹系數的陶瓷，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芯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芯片用接合劑除了上述高熱傳導性之外，基于接合時降低熱應力等觀點，還要求低溫接合與低楊氏系數等等，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芯片的面積幾乎相同，因此無法期待水平方向的熱擴散，只能寄望于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芯片至框體的熱傳導、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芯片大型化、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芯片接合部是妨害散熱的原因之一，因此薄接合技術成為今后改善的課題。

　　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，由于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：高熱傳導銅層表面涂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，或是將涂抹層直接涂布在封裝基板、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芯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系卻成為另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。