高功率LED封裝基板技術(shù)分析

1、高功率LED封裝基板技術(shù)分析前言技術(shù)上高功率LED封裝后的商品,使用時散熱對策成為非常棘手問題,在此背景下具備高成本效益,類似金屬系基板等高散熱封裝基板的發(fā)展動向,成為led高效率化之后另一個備受囑目的焦點(diǎn)。本文要介紹LED封裝用金屬系基板的發(fā)展動向,與陶瓷系封裝基板的散熱設(shè)計技術(shù)。發(fā)展歷程圖1是有關(guān)LED的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展變遷預(yù)測,如圖2所示使用高功率LED時,LED產(chǎn)生的熱量透過封裝基板與冷卻風(fēng)扇排放至空氣中。 以往LED的輸出功率較小,可以使用傳統(tǒng)FR4等玻璃環(huán)氧樹脂封裝基板,然而照明用高功率LED的發(fā)光效率只有2030% ,而且芯片面積非常小,雖然整體消費(fèi)電力非常低,不過單位面積的發(fā)熱量卻

2、很大。如上所述汽車、照明與一般民生業(yè)者已經(jīng)開始積極檢討LED的適用性(圖3,一般民生業(yè)者對高功率LED期待的特性分別是省電、高輝度、長使用壽命、高色再現(xiàn)性,這意味著高散熱性是高功率LED封裝基板不可欠缺的條件。 一般樹脂基板的散熱極限只支持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(shè)計高輝度LED商品應(yīng)用時非常重要的組件。金屬系高散熱基板又分成硬質(zhì)(rigid與可撓曲(flexible系基板兩種(圖4 ,硬質(zhì)系基板屬于傳統(tǒng)金屬基板,金屬基材的厚度通常大于1mm,硬質(zhì)系基板廣泛應(yīng)用在L

3、ED燈具模塊與照明模塊,技術(shù)上它是與鋁質(zhì)基板同等級高熱傳導(dǎo)化的延伸,未來可望應(yīng)用在高功率LED的封裝。 可撓曲系基板的出現(xiàn)是為了滿足汽車導(dǎo)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(zhì)基板薄板化賦予封裝基板可撓曲特性,進(jìn)而形成同時兼具高熱傳導(dǎo)性與可撓曲特性的高功率LED封裝基板。硬質(zhì)系基板的特性圖5是硬質(zhì)金屬系封裝基板的基本結(jié)構(gòu),它是利用傳統(tǒng)樹脂基板或是陶瓷基板,賦予高熱傳導(dǎo)性、加工性、電磁波遮蔽性、耐熱沖擊性等金屬特性,構(gòu)成新世代高功率LED封裝基板。 如圖所示它是利用環(huán)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(zhì)的組合變化,可以制成各

4、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封裝基板使用為鋁與銅等材料,絕緣層大多使用充填高熱傳導(dǎo)性無機(jī)填充物(Filler的填充物環(huán)氧樹脂。鋁質(zhì)基板是應(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,目前已經(jīng)應(yīng)用在冷氣空調(diào)的轉(zhuǎn)換器(Inverter、通訊設(shè)備的電源基板等領(lǐng)域,鋁質(zhì)基板同樣適用于高功率LED的封裝。圖6是各種金屬系封裝基板的特性比較,一般而言金屬封裝基板的等價熱傳導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)大約是2W/m?K,為滿足客戶46W/m?K高功率化的需要,業(yè)者已經(jīng)推出等價熱傳導(dǎo)率超過8W/m?K的金屬系封裝基板。 由于硬質(zhì)金屬系封裝基板主要目的是支持高

5、功率LED的封裝,因此各封裝基板廠商正積極開發(fā)可以提高熱傳導(dǎo)率的技術(shù)。硬質(zhì)金屬系封裝基板的主要特征是高散熱性。圖7與圖8是仿真分析LED芯片發(fā)熱量為1W時,2W/m ?K 一般封裝基板與8W/m?K超高熱傳導(dǎo)封裝基板正常使用狀態(tài)下的溫度分布特性。由圖8可知使用高熱傳導(dǎo)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(shè)計,透過散熱膜片與封裝基板的組合,還可望延長LED芯片的使用壽命。金屬系封裝基板的缺點(diǎn)是基材的金屬熱膨脹系數(shù)非常大,類似低熱膨脹系數(shù)陶瓷系芯片組件焊接時,容易受到熱循環(huán)沖擊,如果高功率LED的封裝使用氮化鋁時,金屬系封裝基板可能會發(fā)生不協(xié)調(diào)問題,因此必需設(shè)法吸收LED

6、模塊的各材料熱膨脹系數(shù)差異造成的熱應(yīng)力,藉此緩和熱應(yīng)力提高封裝基板的可靠性?？蓳锨祷宓奶匦钥蓳锨宓闹饕猛敬蠖嗉性诓季€用基板,以往高功率晶體管與IC等高發(fā)熱組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(qiáng)烈要求可撓曲基板可以高密度設(shè)置高功率LED,然而LED的發(fā)熱造成LED使用壽命降低,卻成為非常棘手的技術(shù)課題,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性的限制,無法根本解決問題。圖9是高熱傳導(dǎo)撓曲基板的斷面結(jié)構(gòu),它是在絕緣層黏貼金屬箔,雖然基本結(jié)構(gòu)則與傳統(tǒng)撓曲基板完全相同,不過絕緣層采用軟質(zhì)環(huán)氧樹脂充填高熱傳導(dǎo)性無機(jī)填充物的材料,具有與硬質(zhì)金屬系封裝基

7、板同等級8W/m?K的熱傳導(dǎo)性,同時還兼具柔軟可撓曲、高熱傳導(dǎo)特性與高可靠性(表1,此外可撓曲基板還可以依照客戶需求,將單面單層面板設(shè)計成單面雙層、雙面雙層結(jié)構(gòu)。 高熱傳導(dǎo)撓曲基板的主要特征是可以設(shè)置高發(fā)熱組件,并作三次元組裝,亦即它可以發(fā)揮自由彎曲特性,進(jìn)而獲得高組裝空間利用率。圖10是高熱傳導(dǎo)撓曲基板與傳統(tǒng)聚亞酰胺(Polyi-mide撓曲基板,設(shè)置1W高功率LED時的散熱實(shí)驗結(jié)果,聚亞酰胺基板的厚度為25m,基板的散熱采用自然對流方式。 根據(jù)實(shí)驗結(jié)果顯示使用高熱傳導(dǎo)撓曲基板時,LED的溫度大約降低100,這意味著溫度造成LED使用壽命降低的問題可望獲得改善。事實(shí)上除了高功率LED之外,高

8、熱傳導(dǎo)撓曲基板還可以設(shè)置其它高功率半導(dǎo)體組件,適用于局促空間或是高密度封裝等要求高散熱等領(lǐng)域。有關(guān)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(shí)際需求,因此基板周邊材料的配合變得非常重要,例如圖11的端緣發(fā)光型LED背光模塊的新結(jié)構(gòu),配合3W/m?K的熱傳導(dǎo)性膜片,可以有效提高LED模塊的散熱性與LED模塊的組裝作業(yè)性。陶瓷系封裝基板如上所述白光LED的發(fā)熱隨著投入電力強(qiáng)度的增加持續(xù)上升,LED芯片的溫升會造成光輸出降低,因此LED的封裝結(jié)構(gòu)與使用材料的檢討非常重要。以往LED使用低熱傳導(dǎo)率樹脂封裝,被視為是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(dǎo)陶瓷,或是設(shè)有金屬板的

9、樹脂封裝結(jié)構(gòu)。LED芯片高功率化常用手法分別是:LED芯片大型化改善LED芯片的發(fā)光效率采用高取光效率的封裝大電流化雖然提高電流發(fā)光量會呈比例增加,不過LED芯片的發(fā)熱量也會隨著上升。圖12是LED投入電流與放射照度量測結(jié)果,由圖可知在高輸入領(lǐng)域放射照度呈現(xiàn)飽和與衰減現(xiàn)象,這種現(xiàn)象主要是LED芯片發(fā)熱所造成,因此LED芯片高功率化時首先必需解決散熱問題。LED的封裝除了保護(hù)內(nèi)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的封裝要求LED芯片產(chǎn)生的光線可以高效率取至外部,因此封裝必需具備高強(qiáng)度、高絕緣性、高熱傳導(dǎo)性與高反射性,令人感到意外的是陶瓷幾乎網(wǎng)羅上述所有特性。表2

10、是陶瓷的主要材料物性一覽,除此之外陶瓷耐熱性與耐光線劣化性也比樹脂優(yōu)秀。 傳統(tǒng)高散熱封裝是將LED芯片設(shè)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(shù)與LED芯片差異非常大,當(dāng)溫度變化非常大或是封裝作業(yè)不當(dāng)時極易產(chǎn)生熱歪斜(thermal strain;熱剪應(yīng)力,進(jìn)而引發(fā)芯片瑕疵或是發(fā)光效率降低。未來LED芯片面臨大型化發(fā)展時,熱歪斜問題勢必變成無法忽視的困擾,有關(guān)這點(diǎn)具備接近LED芯片的熱膨脹系數(shù)的陶瓷,可說是熱歪斜對策非常有利的材料。圖13是高功率LED陶瓷封裝的外觀;圖14是高功率LED陶瓷封裝的基本結(jié)構(gòu),圖14(b的反射罩電鍍銀膜。它可以提高光照射率,圖14(c的陶瓷反

11、射罩則與陶瓷基板呈一體結(jié)構(gòu)。 散熱設(shè)計圖15表示LED內(nèi)部理想性熱流擴(kuò)散模式,圖15右圖的實(shí)線表示封裝內(nèi)部PQ之間高熱流擴(kuò)散分布非常平坦,由于熱流擴(kuò)散至封裝整體均勻流至封裝基板,其結(jié)果使得LED芯片正下方的溫度大幅降低。 圖16是以封裝材的熱傳導(dǎo)率表示熱擴(kuò)散性的差異,亦即圖15表示正常狀態(tài)時的溫度分布,與單位面積單位時間流動的熱流束分布特性。使用高熱傳導(dǎo)材時,封裝內(nèi)部的溫差會變小,此時熱流不會呈局部性集中,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,換言之高熱傳導(dǎo)材料可以提高LED封裝內(nèi)部的熱擴(kuò)散性。LED封裝用陶瓷材料分成氧化鋁與氮化鋁,氧化鋁的熱傳導(dǎo)率是環(huán)氧樹脂的55倍,氮化鋁則是

12、環(huán)氧樹脂的55倍400倍,因此目前高功率LED封裝用基板大多使用熱傳導(dǎo)率為200W/mK的鋁質(zhì),或是熱傳導(dǎo)率為400W/mK的銅質(zhì)金屬封裝基板。半導(dǎo)體IC芯片的接合劑分別使用環(huán)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(dǎo)性之外,基于接合時降低熱應(yīng)力等觀點(diǎn),還要求低溫接合與低楊氏系數(shù)等等,符合這些條件的接合劑分別是環(huán)氧系接合劑充填銀的環(huán)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(kuò)散,只能寄望于垂直方向的高熱傳導(dǎo)性。向的高熱傳導(dǎo)性。 圖17是熱傳導(dǎo)差異對封裝內(nèi)部的溫度分布，與熱流束特性的模擬分析結(jié)果

13、，封裝基板使用氮化鋁。根 據(jù)仿真分析結(jié)果顯示 LED 接合部的溫差， 熱傳導(dǎo)性非常優(yōu)秀的 Au-Sn 比低散熱性銀充填環(huán)氧樹脂接合劑更 優(yōu)秀。 有關(guān) LED 封裝基板的散熱設(shè)計，大致分成： LED 芯片至框體的熱傳導(dǎo) 框體至外部的熱傳達(dá) 兩大部位。熱傳導(dǎo)的改善幾乎完全仰賴材料的進(jìn)化，一般認(rèn)為隨著 LED 芯片大型化、大電流化、高功 率化的發(fā)展，未來會加速金屬與陶瓷封裝取代傳統(tǒng)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(shù)成為今后改善的課題。 提高 LED 高熱排放至外部的熱傳達(dá)特性，以往大多使用冷卻風(fēng)扇與熱交換器，由于噪音與設(shè)置空間等 諸多限制，實(shí)際上包含消費(fèi)者、下游系統(tǒng)應(yīng)用廠商在內(nèi)，都不希望使用強(qiáng)制性散熱組件，這意味著非強(qiáng)制 散熱設(shè)計必需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。 具體對策例如高熱傳導(dǎo)銅層表面涂布“利用遠(yuǎn)紅外線促進(jìn)熱放射的撓曲散熱薄膜”等等，根據(jù)實(shí)驗結(jié)果 證實(shí)使用該撓曲散熱薄膜的發(fā)熱體散熱效果，幾乎與面積接近散熱薄膜的冷卻風(fēng)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(guān)高功率 LED 的封