高功率LED的封裝基板有哪些種類？

高功率LED的封裝基板有哪些種類？

長久以來顯示應用一直是led發光元件主要訴求，並不要求LED高散熱性，因此LED大多直接封裝於一般樹脂系基板，然而2000年以後隨著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應用範圍，以及有意願採用LED的產業範圍不斷擴大，其中又以液晶面板廠商面臨歐盟頒佈的危害性物質限制指導（RoHS:Restrictionof Hazardous Substances DirecTI

ve）規範，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封裝後的商品，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高效率化之後另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隻支持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，硬質系基板屬於傳統金屬基板，金屬基材的厚度通常大於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。

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、耐熱衝擊性等金屬特性，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，製成各種用途的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製成高密度封裝基板，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，也同樣適用於高功率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。由於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徵是高散熱性。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係數非常大，與低熱膨脹係數陶瓷系芯片元件焊接時情形相似，容易受到熱循環衝擊，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模塊各材料熱膨脹係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。

封裝基板業者積極開發可撓曲基板

可撓曲基板的主要用途大多集中在佈線用基板，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，不過絕緣層採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徵是可以設置高發熱元件，並作三次元組裝，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，適用於侷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。

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、採用高取光效率封裝，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週圍再包覆樹脂，然而這種封裝方式的金屬熱膨脹係數與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芯片的熱膨脹係數的陶瓷，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，基於接合時降低熱應力等觀點，還要求低溫接合與低楊氏係數等等，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，只能寄望於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後改善的課題。

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，由於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：高熱傳導銅層表面塗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，或是將塗抹層直接塗布在封裝基板、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係卻成為另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。