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高功率LED封装基板技术[1]

2014-5-6  来源:新世纪LED网  有4778人阅读

长久以来显示应用一直是 led 发光组件主要诉求,并不要求 LED 高散热性,因此 LED 大多直接封装于传统树脂系基板,然而 2000 年以后随着 LED 高辉度化与高效率化发展,尤其是蓝光 LED组件的发光效率获得大幅改善,液晶、家电、汽车等业者也开始积极检讨 LED 的适用性。

  0 前言

  长久以来显示应用一直是 led 发光组件主要诉求,并不要求 LED 高散热性,因此 LED 大多直接封装于传统树脂系基板,然而 2000 年以后随着 LED 高辉度化与高效率化发展,尤其是蓝光 LED组件的发光效率获得大幅改善,液晶、家电、汽车等业者也开始积极检讨 LED 的适用性。

  在此同时数字家电与平面显示器急速普及化,加上 LED 单体成本持续下降,使得 LED 的应用范围,以及有意愿采用 LED 的产业范围不断扩大,其中又以液晶面板厂商面临欧盟颁布的危害性物质限制指导(RoHS: Restriction of Hazardous Substances Directive)规范,因此陆续提出未来必需将水银系冷阴极灯管(CCFL:Cold Cathode Fluor-escent Lamp)全面无水银化的发展方针,其结果造成高功率 LED 的需求更加急迫。

  技术上高功率 LED 封装后的商品,使用时散热对策成为非常棘手问题,在此背景下具备高成本效益,类似金属系基板等高散热封装基板的发展动向,成为 LED 高效率化之后另一个备受嘱目的焦点。

  接着本文要介绍 LED 封装用金属系基板的发展动向,与陶瓷系封装基板的散热设计技术。

  1发展历程

  图1 是有关 LED 的应用领域发展变迁预测,如图 2 所示使用高功率 LED 时,LED 产生的热量透过封装基板与冷却风扇排放至空气中。

  图1 LED的应用领域发展变化

  图2 高散热基板的必要性

  以往 LED 的输出功率较小,可以使用传统 FR4 等玻璃环氧树脂封装基板,然而照明用高功率LED 的发光效率只有 20~30% ,而且芯片面积非常小,虽然整体消费电力非常低,不过单位面积的发热量却很大。

  如上所述汽车、照明与一般民生业者已经开始积极检讨 LED 的适用性(图 3),一般民生业者对高功率 LED 期待的特性分别是省电、高辉度、长使用寿命、高色再现性,这意味着高散热性是高功率 LED 封装基板不可欠缺的条件。

  图3 高功率LED封装基板要求的特性

  一般树脂基板的散热极限只支持 0.5W 以下的 LED,超过 0.5W 以上的 LED 封装大多改用金属系与陶瓷系高散热基板,主要原因是基板的散热性对 LED 的寿命与性能有直接影响,因此封装基板成为设计高辉度 LED 商品应用时非常重要的组件。

  金属系高散热基板又分成硬质(rigid)与可挠曲(flexible)系基板两种(图4) ,硬质系基板属于传统金属基板,金属基材的厚度通常大于 1mm,硬质系基板广泛应用在 LED 灯具模块与照明模块,技术上它是与铝质基板同等级高热传导化的延伸,未来可望应用在高功率 LED 的封装。

  图4 各种金属基板的结构与特征

  可挠曲系基板的出现是为了满足汽车导航仪等中型 LCD 背光模块薄形化,以及高功率LED 三次元封装要求的前提下,透过铝质基板薄板化赋予封装基板可挠曲特性,进而形成同时兼具高热传导性与可挠曲特性的高功率 LED 封装基板。

  2 硬质系基板的特性

  图5 是硬质金属系封装基板的基本结构,它是利用传统树脂基板或是陶瓷基板,赋予高热传导性、加工性、电磁波遮蔽性、耐热冲击性等金属特性,构成新世代高功率 LED 封装基板。

  图5 硬质金属系封装基板的基本结构

  如图所示它是利用环氧树脂系接着剂将铜箔黏贴在金属基材的表面,透过金属基材与绝缘层材质的组合变化,可以制成各种用途的 LED 封装基板。

  高散热性是高功率 LED 封装用基板不可或缺的基本特性,因此上述金属系 LED 封装基板使用为铝与铜等材料,绝缘层大多使用充填高热传导性无机填充物(Filler)的填充物环氧树脂。

  铝质基板是应用铝的高热传导性与轻量化特性制成高密度封装基板,目前已经应用在冷气空调的转换器(Inverter)、通讯设备的电源基板等领域,铝质基板同样适用于高功率 LED 的封装。

  图6 是各种金属系封装基板的特性比较,一般而言金属封装基板的等价热传导率标准大约是2W/m‧K,为满足客户4~6W/m‧K 高功率化的需要,业者已经推出等价热传导率超过 8W/m‧K 的金属系封装基板。

  图6 各种金属系封装基板的特性比较

  图7高功率LED的散热膜片分析(二次元)

  由于硬质金属系封装基板主要目的是支持高功率 LED 的封装,因此各封装基板厂商正积极开发可以提高热传导率的技术。

  硬质金属系封装基板的主要特征是高散热性。图7与图8是仿真分析 LED 芯片发热量为1W 时,2W/m ‧K 一般封装基板与 8W/m‧K 超高热传导封装基板正常使用状态下的温度分布特性。

  图8 基板散热膜片分析结果

  由图8 可知使用高热传导性绝缘层封装基板,可以大幅降低LED 芯片的温度。此外基板的散热设计,透过散热膜片与封装基板的组合,还可望延长LED 芯片的使用寿命。

  金属系封装基板的缺点是基材的金属热膨胀系数非常大,类似低热膨胀系数陶瓷系芯片组件焊接时,容易受到热循环冲击,如果高功率 LED 的封装使用氮化铝时,金属系封装基板可能会发生不协调问题,因此必需设法吸收 LED 模块的各材料热膨胀系数差异造成的热应力,藉此缓和热应力提高封装基板的可靠性。

  3 可挠曲系基板的特性

  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 等高发热组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。

  图9 是高热传导挠曲基板的断面结构,它是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/m‧K 的热传导性,同时还兼具柔软可挠曲、高热传导特性与高可靠性(表 1),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。

  图9 高热传导基板挠曲的断面结构

  表1 各种基板的物性比较

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

  图10 是高热传导挠曲基板与传统聚亚酰胺(Polyi-mide)挠曲基板,设置 1W 高功率 LED 时的散热实验结果,聚亚酰胺基板的厚度为 25μm,基板的散热采用自然对流方式。

  

  根据实验结果显示使用高热传导挠曲基板时,LED 的温度大约降低 100℃,这意味着温度造成LED使用寿命降低的问题可望获得改善。

  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组件,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,例如图 11 的端缘发光型 LED 背光模块的新结构,配合~3W/m‧K的热传导性膜片,可以有效提高 LED 模块的散热性与 LED 模块的组装作业性。

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