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高功率LED的封装基板的种类

导读: 长久以来显示应用一直是led发光元件主要诉求,并不要求LED高散热性,因此LED大多直接封装于一般树脂系基板,然而2000年以后随著LED高辉度化与高效率化发展,尤其是蓝光LED元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。

  长久以来显示应用一直是led发光元件主要诉求,并不要求LED高散热性,因此LED大多直接封装于一般树脂系基板,然而2000年以后随著LED高辉度化与高效率化发展,尤其是蓝光LED元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。

  现今数码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:Restrictionof Hazardous Substances Directive)规范,而陆续提出未来必须将水银系冷阴极灯管(CCFL:Cold Cathode Fluorescent 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,使用时散热对策实为非常棘手,而此背景下具备高成本效率,且类似金属系基板等高散热封装基板的产品发展动向,成为LED高效率化之后另1个备受嘱目的焦点。

  环氧树脂已不符合高功率需求

  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%,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。

  汽车、照明与一般民生业者已经开始积极检讨LED的适用性,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、高色彩再现性,这意味著散热性佳是高功率LED封装基板不可欠缺的条件。

  树脂基板的散热极限多半只支持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元件。

  金属系高散热基板又分成硬质(rigid)与可挠曲(flexible)系基板两种,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,广泛应用在LED灯具模块与照明模块,技术上它与铝质基板相同等级高热传导化的延伸,未来可望应用在高功率LED封装。

  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,进而形成兼具高热传导性与可挠曲性的高功率LED封装基板。

  高效率化金属基板备受关注

  硬质金属系封装基板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。

  高功率LED封装基板是利用环氧树脂系接著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,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封装基板使用铝与铜等材料,绝缘层大多使用高热传导性无机填充物(Filler)的环氧树脂。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,也同样适用于高功率LED封装。

  一般而言,金属封装基板的等价热传导率标准大约是2W/mK,为满足客户4~6W/mK高功率化的需要,业者已经推出等价且热传导率超过8W/mK的金属系封装基板。由于硬质金属系封装基板主要目的是支持高功率LED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。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组合,还望延长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,与低热膨胀系数陶瓷系芯片元件焊接时情形相似,容易受到热循环冲击,如果高功率LED封装使用氮化铝时,金属系封装基板可能会发生不协调的问题,因此必须设法吸收LED模块各材料热膨胀系数差异造成的热应力,藉此缓和热应力进而提高封装基板的可靠性。

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