前言
長(zhǎng)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(zhǎng)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)變色情況，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(zhǎng)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(zhǎng)光線，而環(huán)氧樹脂卻相當(dāng)容易受白光LED中的短波長(zhǎng)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(zhǎng)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。
事實(shí)上,，除高功率LED外,，高熱傳導(dǎo)撓曲基板，還可應(yīng)用在其它高功率半導(dǎo)體組件上,，適用于空間有限,、或是高密度封裝等環(huán)境。不過,，僅僅依賴封裝基板,，往往無法滿足實(shí)際需求，因此基板外圍材料的配合也變得益形重要,，例如配合3W/(mK)的熱傳導(dǎo)性膜片,，就能夠有效再提高其散熱性。