有效提高大功率LED散热性的分析

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色情况，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。