高功率LED的封装结构分析

　　可挠曲基板的主要用途大多集中在布线用基板，以往高功率晶体管与IC等高发热元件几乎不使用可挠曲基板，最近几年液晶显示器为满足高辉度化需求，强烈要求可挠曲基板可以高密度设置高功率LED，然而LED的发热造成LED使用寿命降低，却成为非常棘手的技术课题，虽然利用铝板质补强板可以提高散热性，不过却有成本与组装性的限制，无法根本解决问题。

　　高热传导挠曲基板在绝缘层黏贴金属箔，虽然基本结构则与传统挠曲基板完全相同，不过绝缘层采用软质环氧树脂充填高热传导性无机填充物的材料，具有与硬质金属系封装基板同等级8W/mK的热传导性，同时兼具柔软可挠曲、高热传导特性与高可靠性。此外可挠曲基板还可以依照客户需求，将单面单层面板设计成单面双层、双面双层结构。

　　高热传导挠曲基板的主要特征是可以设置高发热元件，并作三次元组装，亦即可以发挥自由弯曲特性，进而获得高组装空间利用率。

　　根据实验结果显示使用高热传导挠曲基板时，LED的温度约降低100C，此意味温度造成LED使用寿命的降低可望获得改善。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元件，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，例如配合3W/mK的热传导性膜片，可以有效提高LED模块的散热性与组装作业性。

　　图说：透过铝质基板薄板化后，达到可挠曲的特性，且能具有高热传导特性。

　　陶瓷封装基板对热歪斜非常有利

　　如上所述白光LED的发热随著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芯片高功率化常用方式分别包括了：LED芯片大型化、改善LED芯片发光效率、采用高取光效率封装，以及大电流化等等。

　　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著上升。因为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，首先必须解决散热问题。

　　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，因此封装必须具备高强度、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，此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芯片差异相当大，当温度变化非常大或是封装作业不当时极易产生热歪斜，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，针对上述问题，具备接近LED芯片的热膨胀系数的陶瓷，可说是对热歪斜对策非常有利的材料。

　　高功率加速陶汰树脂材料

　　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，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，而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。根据模拟分析结果显示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。

　　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方面。

　　热传导的改善几乎完全仰赖材料的进化，一般认为随著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、照明灯具厂商在内，都不希望使用上述强制性散热元件，这意味著非强制散热设计必须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，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，但高热传导与反射率的互动关系却成为另1个棘手问题，一般认为未来若能提高氮化铝的热传导率，对高功率LED的封装材料具有正面助益。