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高功率LED的封裝結(jié)構(gòu)分析

作者: 時(shí)間:2012-02-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

長久以來顯示應(yīng)用一直是led發(fā)光元件主要訴求,并不要求高散熱性,因此大多直接于一般樹脂系基板,然而2000年以后隨著高輝度化與高效率化發(fā)展,尤其是藍(lán)光LED元件的發(fā)光效率獲得大幅改善,液晶、家電、汽車等業(yè)者也開始積極檢討LED的適用性。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/168515.htm

  現(xiàn)今數(shù)碼家電與平面顯示器急速普及化,加上LED單體成本持續(xù)下降,使得LED應(yīng)用范圍,以及有意愿采用LED的產(chǎn)業(yè)范圍不斷擴(kuò)大,其中又以液晶面板廠商面臨歐盟頒布的危害性物質(zhì)限制指導(dǎo)(RoHS: Restriction of Hazardous Substances Directive)規(guī)范,而陸續(xù)提出未來必須將水銀系冷陰極燈管(CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp)全面無水銀化的發(fā)展方針,其結(jié)果造成高LED的需求更加急迫。

  技術(shù)上高LED后的商品,使用時(shí)散熱對策實(shí)為非常棘手,而此背景下具備高成本效率,且類似金屬系基板等高散熱基板的產(chǎn)品發(fā)展動(dòng)向,成為LED高效率化之后另1個(gè)備受囑目的焦點(diǎn)。

  環(huán)氧樹脂已不符合高需求

  以往LED的輸出功率較小,可以使用傳統(tǒng)FR4等玻璃環(huán)氧樹脂封裝基板,然而照明用高功率LED的發(fā)光效率只有20%~30%,且芯片面積非常小,雖然整體消費(fèi)電力非常低,不過單位面積的發(fā)熱量卻很大。

  汽車、照明與一般民生業(yè)者已經(jīng)開始積極檢討LED的適用性,業(yè)者對高功率LED期待的特性分別是省電、高輝度、長使用壽命、高色彩再現(xiàn)性,這意味著散熱性佳是高功率LED封裝基板不可欠缺的條件。

  樹脂基板的散熱極限多半只支持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(shè)計(jì)高輝度LED商品應(yīng)用時(shí)非常重要的元件。

  金屬系高散熱基板又分成硬質(zhì)(rigid)與可撓曲(flexible)系基板兩種,硬質(zhì)系基板屬于傳統(tǒng)金屬基板,金屬基材的厚度通常大于1mm,廣泛應(yīng)用在LED燈具模塊與照明模塊,技術(shù)上它與鋁質(zhì)基板相同等級高熱傳導(dǎo)化的延伸,未來可望應(yīng)用在高功率LED封裝。

  可撓曲系基板的出現(xiàn)是為了滿足汽車導(dǎo)航儀等中型LCD背光模塊薄形化,以及高功率LED三次元封裝要求的前提下,透過鋁質(zhì)基板薄板化賦予封裝基板可撓曲特性,進(jìn)而形成兼具高熱傳導(dǎo)性與可撓曲性的高功率LED封裝基板。

  


  圖說:環(huán)氧樹脂耐熱性比較差,在LED芯片本身的壽命結(jié)束前,環(huán)氧樹脂就已經(jīng)出現(xiàn)變色。

  高效率化 金屬基板備受關(guān)注

  硬質(zhì)金屬系封裝基板是利用傳統(tǒng)樹脂基板或是陶瓷基板,賦予高熱傳導(dǎo)性、加工性、電磁波遮蔽性、耐熱沖擊性等金屬特性,構(gòu)成新世代高功率LED封裝基板。

  高功率LED封裝基板是利用環(huán)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(zhì)的組合變化,制成各種用途的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(dǎo)性無機(jī)填充物(Filler)的環(huán)氧樹脂。鋁質(zhì)基板是應(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,目前已經(jīng)應(yīng)用在冷氣空調(diào)的轉(zhuǎn)換器(Inverter)、通訊設(shè)備的電源基板等領(lǐng)域,也同樣適用于高功率LED封裝。

  一般而言,金屬封裝基板的等價(jià)熱傳導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)大約是2W/mK,為滿足客戶4~6W/mK高功率化的需要,業(yè)者已經(jīng)推出等價(jià)且熱傳導(dǎo)率超過8W/mK的金屬系封裝基板。由于硬質(zhì)金屬系封裝基板主要目的是支持高功率LED封裝,因此各封裝基板廠商正積極開發(fā)可以提高熱傳導(dǎo)率的技術(shù)。

  硬質(zhì)金屬系封裝基板的主要特征是高散熱性。高熱傳導(dǎo)性絕緣層封裝基板,可以大幅降低LED芯片的溫度。此外基板的散熱設(shè)計(jì),透過散熱膜片與封裝基板組合,還望延長LED芯片的使用壽命。

  金屬系封裝基板的缺點(diǎn)是基材的金屬熱膨脹系數(shù)非常大,與低熱膨脹系數(shù)陶瓷系芯片元件焊接時(shí)情形相似,容易受到熱循環(huán)沖擊,如果高功率LED封裝使用氮化鋁時(shí),金屬系封裝基板可能會(huì)發(fā)生不協(xié)調(diào)的問題,因此必須設(shè)法吸收LED模塊各材料熱膨脹系數(shù)差異造成的熱應(yīng)力,藉此緩和熱應(yīng)力進(jìn)而提高封裝基板的可靠性。

  

  圖說:LED芯片大多利用芯片大型化、改善發(fā)光效率、采用高取光效率的封裝,及大電流化,以達(dá)到高亮度的目標(biāo)。


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