深度解讀:高功率LED封裝基板技術(shù)
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(wú)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(huì)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(huì)呈比例增加,不過LED芯片的發(fā)熱量也會(huì)隨著上升。圖12是LED投入電流與放射照度量測(cè)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(shí)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(shí)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(shí),熱歪斜問題勢(shì)必變成無(wú)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(duì)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)的陶瓷反射罩則與陶瓷基板呈一體結(jié)構(gòu)。
散熱設(shè)計(jì)
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P~Q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(shí)的溫度分布,與單位面積單位時(shí)間流動(dòng)的熱流束分布特性。
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,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(shí)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(wú)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。
圖17是熱傳導(dǎo)差異對(duì)封裝內(nèi)部的溫度分布,與熱流束特性的模擬分析結(jié)果,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(jì),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(huì)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(jì)必需大幅增加框體與外部接觸的面積,同時(shí)提高封裝基板與框體的散熱性。
具體對(duì)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(yàn)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的封裝結(jié)構(gòu),要求能夠支持LED芯片磊晶接合的微細(xì)布線技術(shù);有關(guān)材質(zhì)的發(fā)展,雖然氮化鋁已經(jīng)高熱傳導(dǎo)化,不過高熱傳導(dǎo)與反射率的互動(dòng)關(guān)系卻成為另一個(gè)棘手問題,一般認(rèn)為未來若能提高熱傳導(dǎo)率低于氮化鋁的氧化鋁的反射率,對(duì)高功率LED的封裝材料具有正面幫助。
結(jié)語(yǔ)
以上介紹LED封裝用金屬系基板的發(fā)展動(dòng)向,與陶瓷系封裝基板的散熱設(shè)計(jì)技術(shù)。隨著LED大型化、大電流化、高功率化的發(fā)展,事實(shí)上單靠封裝基板單體并無(wú)法達(dá)成預(yù)期的散熱效,必需配合封裝基板周邊的散熱材料,以及LED封裝結(jié)構(gòu)才能進(jìn)行有效的散熱。因此未來必需持續(xù)開發(fā)周邊相關(guān)技術(shù),LED才能夠?qū)崿F(xiàn)次世代光源的終極目標(biāo)。
評(píng)論