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(chǎng)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、散熱等功能。

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^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)榘坠釲ED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，LED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4~6W/(mK)熱傳導(dǎo)率的需要，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)而大幅改善。