有效提高大功率LED散热性的分析

前言

长久以来，显示应用一直是LED的主要诉求，对于LED的散热性要求不甚高的情况下，LED多利用传统树脂基板进行封装。

2000年以后，随LED高辉度化与高效率化技术发展，再加上蓝光LED发光效率大幅改善，与LED制造成本持续下滑，让LED应用范围、及有意愿采用LED的产业范围不断扩增，包括液晶、家电、汽车等业者，也开始积极考虑应用LED的可能性，例如消费性产品业者对于高功率LED的期待是，能达到省电、高辉度、长使用寿命、高色再现性，这代表着达到高散热性能力，是高功率LED封装基板不可欠缺的条件。

此外，液晶面板业者面临欧盟RoHS规范，需正视将冷阴极灯管全面无水银化的环保压力，造成市场对于高功率LED的需求更加急迫。

LED封装除了保护内部LED芯片外，还兼具LED芯片与外部作电气连接、散热等功能。

环氧树脂特性已不符合高功率LED需求

1个LED能达到几百流明，这基本上不是大问题，主要的问题是，如何去处理散热？接下来在产生这么大的流明后，如何维持亮度的稳定与持续性，这又是另一个重要课题，若热处理没有做好的话，LED的亮度和寿命会下降很快，对于LED来说，如何做到有效的可靠度和热传导，是非常重要。

以往LED是使用低热传导率树脂进行封装，不过这被视为是影响散热特性的原因之一，此外，环氧树脂耐热性比较差，可能会出现的情况是，在LED芯片本身的寿命未到达前，环氧树脂就已呈现变^况，因此，提高散热性已是重要关键。

除此之外，不仅因为热现象会对环氧树脂产生变化，甚至短波长也会对环氧树脂造成问题，这是因为白光LED发光光谱中，也包含短波长光线，而环氧树脂却相当容易受白光LED中的短波长光线破坏，即使是低功率白光LED，已能使环氧树脂破坏现象加剧，更何况高功率白光LED所发出的短波长光线更多，恶化自然比低功率款式更加快速，甚至有些产品在连续点亮后的使用寿命仅5，000小时，甚至更短！所以，与其不断克服因旧有封装材料“环氧树脂”带来的变色困扰，不如朝寻求新1代的封装材料努力。

图1：环氧树脂耐热性比较差，在LED芯片本身的寿命到达前，环氧树脂就已出现变色

金属基板成新焦点

因此最近几年逐渐改用高热传导陶瓷，或是金属树脂封装结构，就是为了解决散热、与强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、改善发光效率、采用高取光效率的封装、及大电流化。这类做法虽然电流发光量会呈比例增加，不过发热量也会随之上升。

对高功率LED封装技术上而言，由于散热的问题造成了一定程度的困扰，在此背景下具有高成本效益的金属基板技术，就成了LED高效率化之后另1个备受关心的新发展。

过去由于LED输出功率较小，因此使用传统FR4等玻璃环氧树脂封装基板，并不会造成太大的散热问题，但应用于照明用的高功率LED，其发光效率约为20%~30%左右，虽芯片面积相当小，整体消费电力也不高，不过单位面积的发热量却很大。

一般来说，树脂基板的散热，只能够支持0。5W以下的LED，超过0。5W以上的LED，多改用金属或陶瓷高散热基板进行封装，主要原因是，基板的散热性直接影响LED寿命与性能，因此封装基板成为设计高辉度LED商品的开发重点。

图2：LED芯片大多利用芯片大型化、改善发光效率、采高取光效率封装，及大电流化达高亮度目标

高功率加速金属基板取代树脂材料

关于LED封装基板散热设计，目前大致可以分成，LED芯片至封装体的热传导、及封装体至外部的热传达两大部分。使用高热传导材时，封装内部的温差会变小，此时热流不会呈局部性集中，LED芯片整体产生的热流，呈放射状流至封装内部各角落，所以利用高热传导材料，可提高内部的热扩散性。

就热传导的改善来说，几乎是完全仰赖材料提升来解决问题。多数人均认为，随LED芯片大型化、大电流化、高功率化发展，会加速金属封装取代传统树脂封装方式。

就目前金属高散热基板材料而言，可分成硬质与可挠曲两种基板，结构上，硬质基板属于传统金属材料，金属LED封装基板采铝与铜等材料，绝缘层部分，大多采充填高热传导性无机填充物，拥有高热传导性、加工性、电磁波遮蔽性、耐热冲击性等金属特性，厚度方面通常大于1mm，大多都广泛应用在LED灯具模块，与照明模块等，技术上是与铝质基板具相同高热传导能力，在高散热要求下，相当有能力担任高功率LED封装材料。

各封装基板业者正积极开发可挠曲基板

可挠曲基板的出现，原期望应用在汽车导航的LCD背光模块薄形化需求而开发，以及高功率LED可以完成立体封装要求下产生，基本上可挠曲基板以铝为材料，是利应用铝的高热传导性与轻量化特性，制成高密度封装基板，透过铝质基板薄板化后，达可挠曲特性，并且也能够具高热传导特性

一般而言，金属封装基板热传导率大约是2W/(mK)，但由于高效率LED的热效应更高，所以为了满足达到4~6W/(mK)热传导率的需要，目前已有热传导率超过8W/(mK)的金属封装基板。由于硬质金属封装基板主要目的是，能够满足高功率LED的封装，因此各封装基板业者正积极开发可以提高热传导率的技术。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的限制，无法根本解决问题。

图3：透过铝质基板薄板化后，达可挠曲特性，并也能具有高热传导特性

不过，金属封装基板的缺点是，金属热膨胀系数很大，当与低热膨胀系数陶瓷芯片焊接时，容易受热循环冲击，所以当使用氮化铝封装时，金属封装基板可能会发生不协调现象，因此必需克服LED中，各种不同热膨胀系数材料，所造成的热应力差异，提高封装基板的可靠性。

高热传导挠曲基板，是在绝缘层黏贴金属箔，虽然基本结构与传统挠曲基板完全相同，不过在绝缘层方面，是采用软质环氧树脂充填高热传导性无机填充物，因此具有8W/(mK)的高热传导性，同时还兼具柔软可挠曲、高热传导特性与高可靠性，此外可挠曲基板还可以依照客户需求，可将单面单层板设计成单面双层、双面双层结构。根据实验结果显示，使用高热传导挠曲基板时，LED的温度大约降低摄氏100度，这代表着温度造成LED使用寿命降低的问题，将可因变更基板设计而大幅改善。

事实上，除大功率LED外，高热传导挠曲基板，还可应用在其它高功率半导体组件上，适用于空间有限、或是高密度封装等环境。不过，仅仅依赖封装基板，往往无法满足实际需求，因此基板外围材料的配合也变得益形重要，例如配合3W/(mK)的热传导性膜片，就能够有效再提高其散热性。