高功率LED封裝之金屬封裝基板

目前高功率LED的應用範圍越來越廣,隨之而來的問題是當LED的輸出功率較小時,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%,且晶片面積非常小,雖然整體消費電力非常低,可是單位面積的發熱量卻很大。LED在汽車、照明等方面的適用性,對高功率LED希望的特性分別是省電、高輝度、長使用壽命、高色彩再現性,這表明散熱性好才是高功率LED封裝基板不可欠缺的條件。雖然技術上高功率LED封裝後的商品,可使用時散熱對策卻非常棘手,由於環氧樹脂已不符合高功率需求,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燈具模組與照明模組,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。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,成為新時代高功率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,目前已經應用在空調機的轉換器(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。

一般來說,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4W~6W/mK高功率化的需要,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援高功率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晶片的溫度。此外基板的散熱設計,透過散熱膜片與封裝基板組合,還可以延長LED晶片的使用壽命。

金屬系封裝基板的缺點是基材的金屬熱膨脹係數非常大,容易受到熱迴圈衝擊,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模組各材料熱膨脹係數差異造成的熱應力,以此緩和熱應力進而提高封裝基板的可靠性。

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