有效提高大功率LED散熱性的分析

1、有效提高大功率 LED 散熱性的分析前言長久以來，顯示應(yīng)用一直是 LED 的主要訴求， 對(duì)于 LED 的散熱性要求不甚高的情況下， LED 多利用傳統(tǒng)樹脂基板進(jìn)行封裝。2000 年以后，隨 LED 高輝度化與高效率化技術(shù)發(fā)展，再加上藍(lán)光 LED 發(fā)光效率大幅 改善，與 LED 制造成本持續(xù)下滑，讓 LED 應(yīng)用范圍、及有意愿采用 LED 的產(chǎn)業(yè)范圍不斷 擴(kuò)增，包括液晶、家電、汽車等業(yè)者，也開始積極考慮應(yīng)用 LED 的可能性，例如消費(fèi)性產(chǎn) 品業(yè)者對(duì)于高功率 LED 的期待是，能達(dá)到省電、高輝度、長使用壽命、高色再現(xiàn)性，這代 表著達(dá)到高散熱性能力，是高功率 LED 封裝基板不可欠缺的條件。此外，液

2、晶面板業(yè)者面臨歐盟 RoHS 規(guī)范，需正視將冷陰極燈管全面無水銀化的環(huán)保 壓力，造成市場對(duì)于高功率 LED 的需求更加急迫。LED 封裝除了保護(hù)內(nèi)部 LED 芯片外，還兼具 LED 芯片與外部作電氣連接、散熱等功環(huán)氧樹脂特性已不符合高功率 LED 需求1 個(gè) LED 能達(dá)到幾百流明，這基本上不是大問題，主要的問題是，如何去處理散熱?接下來在產(chǎn)生這么大的流明后， 如何維持亮度的穩(wěn)定與持續(xù)性， 這又是另一個(gè)重要課題， 若熱 處理沒有做好的話， LED 的亮度和壽命會(huì)下降很快，對(duì)于 LED 來說，如何做到有效的可靠 度和熱傳導(dǎo)，是非常重要。以往 LED 是使用低熱傳導(dǎo)率樹脂進(jìn)行封裝， 不過這被視為是

3、影響散熱特性的原因之一， 此外，環(huán)氧樹脂耐熱性比較差，可能會(huì)出現(xiàn)的情況是，在 LED 芯片本身的壽命未到達(dá)前， 環(huán)氧樹脂就已呈現(xiàn)變色情況，因此，提高散熱性已是重要關(guān)鍵。除此之外， 不僅因?yàn)闊岈F(xiàn)象會(huì)對(duì)環(huán)氧樹脂產(chǎn)生變化， 甚至短波長也會(huì)對(duì)環(huán)氧樹脂造成問 題，這是因?yàn)榘坠?LED 發(fā)光光譜中， 也包含短波長光線， 而環(huán)氧樹脂卻相當(dāng)容易受白光 LED 中的短波長光線破壞，即使是低功率白光LED ，已能使環(huán)氧樹脂破壞現(xiàn)象加劇，更何況高功率白光 LED 所發(fā)出的短波長光線更多，惡化自然比低功率款式更加快速，甚至有些產(chǎn)品 在連續(xù)點(diǎn)亮后的使用壽命僅 5,000 小時(shí)，甚至更短 !所以，與其不斷克服因舊有封裝材

4、料 “環(huán) 氧樹脂 ”帶來的變色困擾，不如朝尋求新 1 代的封裝材料努力。圖1:環(huán)氧樹脂耐熱性比較差，在LED芯片本身的壽命到達(dá)前，環(huán)氧樹脂就已出現(xiàn)變色金屬基板成新焦點(diǎn)因此最近幾年逐漸改用高熱傳導(dǎo)陶瓷，或是金屬樹脂封裝結(jié)構(gòu)，就是為了解決散熱、與強(qiáng)化原有特性做的努力。LED芯片高功率化常用方式是：芯片大型化、改善發(fā)光效率、采用高取光效率的封裝、及大電流化。這類做法雖然電流發(fā)光量會(huì)呈比例增加，不過發(fā)熱量也會(huì)隨之上升。對(duì)高功率LED封裝技術(shù)上而言，由于散熱的問題造成了一定程度的困擾，在此背景下 具有高成本效益的金屬基板技術(shù)，就成了LED高效率化之后另1個(gè)備受關(guān)心的新發(fā)展。過去由于LED輸出功率較小，因

5、此使用傳統(tǒng)FR4等玻璃環(huán)氧樹脂封裝基板， 并不會(huì)造 成太大的散熱問題， 但應(yīng)用于照明用的高功率 LED，其發(fā)光效率約為20%30%左右，雖芯 片面積相當(dāng)小，整體消費(fèi)電力也不高，不過單位面積的發(fā)熱量卻很大。一般來說，樹脂基板的散熱，只能夠支持 0.5W以下的LED，超過0.5W以上的LED， 多改用金屬或陶瓷高散熱基板進(jìn)行封裝，主要原因是，基板的散熱性直接影響LED壽命與性能，因此封裝基板成為設(shè)計(jì)高輝度 LED商品的開發(fā)重點(diǎn)。圖2 : LED芯片大多利用芯片大型化、改善發(fā)光效率、采高取光效率封裝，及大電流化達(dá)高亮度目標(biāo)高功率加速金屬基板取代樹脂材料關(guān)于LED封裝基板散熱設(shè)計(jì)，目前大致可以分成，L

6、ED芯片至封裝體的熱傳導(dǎo)、及封裝體至外部的熱傳達(dá)兩大部分。使用高熱傳導(dǎo)材時(shí)，封裝內(nèi)部的溫差會(huì)變小，此時(shí)熱流不會(huì) 呈局部性集中，LED芯片整體產(chǎn)生的熱流，呈放射狀流至封裝內(nèi)部各角落，所以利用高熱 傳導(dǎo)材料，可提高內(nèi)部的熱擴(kuò)散性。就熱傳導(dǎo)的改善來說，幾乎是完全仰賴材料提升來解決問題。多數(shù)人均認(rèn)為，隨LED芯片大型化、大電流化、高功率化發(fā)展，會(huì)加速金屬封裝取代傳統(tǒng)樹脂封裝方式。就目前金屬高散熱基板材料而言，可分成硬質(zhì)與可撓曲兩種基板，結(jié)構(gòu)上，硬質(zhì)基板屬于傳統(tǒng)金屬材料，金屬 LED封裝基板采鋁與銅等材料，絕緣層部分，大多采充填高熱傳導(dǎo) 性無機(jī)填充物，擁有高熱傳導(dǎo)性、加工性、電磁波遮蔽性、耐熱沖擊性等金

7、屬特性，厚度方 面通常大于1mm，大多都廣泛應(yīng)用在 LED燈具模塊，與照明模塊等，技術(shù)上是與鋁質(zhì)基板 具相同高熱傳導(dǎo)能力，在高散熱要求下，相當(dāng)有能力擔(dān)任高功率LED封裝材料。各封裝基板業(yè)者正積極開發(fā)可撓曲基板可撓曲基板的出現(xiàn)，原期望應(yīng)用在汽車導(dǎo)航的LCD背光模塊薄形化需求而開發(fā)，以及高功率LED可以完成立體封裝要求下產(chǎn)生，基本上可撓曲基板以鋁為材料，是利應(yīng)用鋁的 高熱傳導(dǎo)性與輕量化特性，制成高密度封裝基板，透過鋁質(zhì)基板薄板化后，達(dá)可撓曲特性， 并且也能夠具高熱傳導(dǎo)特性一般而言，金屬封裝基板熱傳導(dǎo)率大約是2W/(mK)，但由于高效率LED的熱效應(yīng)更高，所以為了滿足達(dá)到 46W/(mK)熱傳導(dǎo)率的

8、需要，目前已有熱傳導(dǎo)率超過8W/(mK)的金屬封裝基板。由于硬質(zhì)金屬封裝基板主要目的是，能夠滿足高功率LED的封裝，因此各封裝基板業(yè)者正積極開發(fā)可以提高熱傳導(dǎo)率的技術(shù)。雖然利用鋁板質(zhì)補(bǔ)強(qiáng)板可以提高散熱性，不過卻有成本與組裝的限制，無法根本解決問題。圖3:透過鋁質(zhì)基板薄板化后，達(dá)可撓曲特性，并也能具有高熱傳導(dǎo)特性不過，金屬封裝基板的缺點(diǎn)是， 金屬熱膨脹系數(shù)很大， 當(dāng)與低熱膨脹系數(shù)陶瓷芯片焊接時(shí)，容易受熱循環(huán)沖擊，所以當(dāng)使用氮化鋁封裝時(shí)，金屬封裝基板可能會(huì)發(fā)生不協(xié)調(diào)現(xiàn)象， 因此必需克服LED中，各種不同熱膨脹系數(shù)材料，所造成的熱應(yīng)力差異，提高封裝基板的 可靠性。高熱傳導(dǎo)撓曲基板，是在絕緣層黏貼金屬箔，雖然基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)撓曲基板完全相同，不過在絕緣層方面，是采用軟質(zhì)環(huán)氧樹脂充填高熱傳導(dǎo)性無機(jī)填充物，因此具有8W/(mK)的高熱傳導(dǎo)性，同時(shí)還兼具柔軟可撓曲、高熱傳導(dǎo)特性與高可靠性，此外可撓曲基板還可以依照客戶需求，可將單面單層板設(shè)計(jì)成單面雙層、雙面雙層結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示， 使用高熱傳導(dǎo)撓曲基板時(shí)，LED的溫度大約降低攝氏100度，這代表著溫度造成 LED使用壽命 降低的問題，將可因變更基板設(shè)計(jì)而大幅改