前言

長久以來，顯示應用一直是LED的主要訴求，對于LED的散熱性要求不甚高的情況下，LED多利用傳統樹脂基板進行封裝。

2000年以后，隨LED高輝度化與高效率化技術發展，再加上藍光LED發光效率大幅改善，與LED制造成本持續下滑，讓LED應用范圍、及有意愿采用LED的產業范圍不斷擴增，包括液晶、家電、汽車等業者，也開始積極考慮應用LED的可能性，例如消費性產品業者對于高功率LED的期待是，能達到省電、高輝度、長使用壽命、高色再現性，這代表著達到高散熱性能力，是高功率LED封裝基板不可欠缺的條件。

此外，液晶面板業者面臨歐盟RoHS規范，需正視將冷陰極燈管全面無水銀化的環保壓力，造成市場對于高功率LED的需求更加急迫。

LED封裝除了保護內部LED芯片外，還兼具LED芯片與外部作電氣連接、散熱等功能。

環氧樹脂特性已不符合高功率LED需求

1個LED能達到幾百流明，這基本上不是大問題，主要的問題是，如何去處理散熱？接下來在產生這么大的流明后，如何維持亮度的穩定與持續性，這又是另一個重要課題，若熱處理沒有做好的話，LED的亮度和壽命會下降很快，對于LED來說，如何做到有效的可靠度和熱傳導，是非常重要。

以往LED是使用低熱傳導率樹脂進行封裝，不過這被視為是影響散熱特性的原因之一，此外，環氧樹脂耐熱性比較差，可能會出現的情況是，在LED芯片本身的壽命未到達前，環氧樹脂就已呈現變色情況，因此，提高散熱性已是重要關鍵。

除此之外，不僅因為熱現象會對環氧樹脂產生變化，甚至短波長也會對環氧樹脂造成問題，這是因為白光LED發光光譜中，也包含短波長光線，而環氧樹脂卻相當容易受白光LED中的短波長光線破壞，即使是低功率白光LED，已能使環氧樹脂破壞現象加劇，更何況高功率白光LED所發出的短波長光線更多，惡化自然比低功率款式更加快速，甚至有些產品在連續點亮后的使用壽命僅5,000小時，甚至更短!所以，與其不斷克服因舊有封裝材料“環氧樹脂”帶來的變色困擾，不如朝尋求新1代的封裝材料努力。
 

                                                  圖1：環氧樹脂耐熱性比較差，在LED芯片本身的壽命到達前，環氧樹脂就已出現變色。

金屬基板成新焦點

因此最近幾年逐漸改用高熱傳導陶瓷，或是金屬樹脂封裝結構，就是為了解決散熱、與強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光量會呈比例增加，不過發熱量也會隨之上升。

對高功率LED封裝技術上而言，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，就成了LED高效率化之后另1個備受關心的新發展。

過去由于LED輸出功率較小，因此使用傳統FR4等玻璃環氧樹脂封裝基板，并不會造成太大的散熱問題，但應用于照明用的高功率LED，其發光效率約為20%~30%左右，雖芯片面積相當小，整體消費電力也不高，不過單位面積的發熱量卻很大。

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計高輝度LED商品的開發重點。

 

                                                 圖2：LED芯片大多利用芯片大型化、改善發光效率、采高取光效率封裝，及大電流化達高亮度目標。

高功率加速金屬基板取代樹脂材料

關于LED封裝基板散熱設計，目前大致可以分成，LED芯片至封裝體的熱傳導、及封裝體至外部的熱傳達兩大部分。使用高熱傳導材時，封裝內部的溫差會變小，此時熱流不會呈局部性集中，LED芯片整體產生的熱流，呈放射狀流至封裝內部各角落，所以利用高熱傳導材料，可提高內部的熱擴散性。

就熱傳導的改善來說，幾乎是完全仰賴材料提升來解決問題。多數人均認為，隨LED芯片大型化、大電流化、高功率化發展，會加速金屬封裝取代傳統樹脂封裝方式。

就目前金屬高散熱基板材料而言，可分成硬質與可撓曲兩種基板，結構上，硬質基板屬于傳統金屬材料，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性無機填充物，擁有高熱傳導性、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，大多都廣泛應用在LED燈具模塊，與照明模塊等，技術上是與鋁質基板具相同高熱傳導能力，在高散熱要求下，相當有能力擔任高功率LED封裝材料。

 各封裝基板業者正積極開發可撓曲基板

可撓曲基板的出現，原期望應用在汽車導航的LCD背光模塊薄形化需求而開發，以及高功率LED可以完成立體封裝要求下產生，基本上可撓曲基板以鋁為材料，是利應用鋁的高熱傳導性與輕量化特性，制成高密度封裝基板，透過鋁質基板薄板化后，達可撓曲特性，并且也能夠具高熱傳導特性

一般而言，金屬封裝基板熱傳導率大約是2W/(mK)，但由于高效率LED的熱效應更高，所以為了滿足達到4~6W/(mK)熱傳導率的需要，目前已有熱傳導率超過8W/(mK)的金屬封裝基板。由于硬質金屬封裝基板主要目的是，能夠滿足高功率LED的封裝，因此各封裝基板業者正積極開發可以提高熱傳導率的技術。雖然利用鋁板質補強板可以提高散熱性，不過卻有成本與組裝的限制，無法根本解決問題。

 

                                                                        圖3：透過鋁質基板薄板化后，達可撓曲特性，并也能具有高熱傳導特性。

不過，金屬封裝基板的缺點是，金屬熱膨脹系數很大，當與低熱膨脹系數陶瓷芯片焊接時，容易受熱循環沖擊，所以當使用氮化鋁封裝時，金屬封裝基板可能會發生不協調現象，因此必需克服LED中，各種不同熱膨脹系數材料，所造成的熱應力差異，提高封裝基板的可靠性。

高熱傳導撓曲基板，是在絕緣層黏貼金屬箔，雖然基本結構與傳統撓曲基板完全相同，不過在絕緣層方面，是采用軟質環氧樹脂充填高熱傳導性無機填充物，因此具有8W/(mK)的高熱傳導性，同時還兼具柔軟可撓曲、高熱傳導特性與高可靠性，此外可撓曲基板還可以依照客戶需求，可將單面單層板設計成單面雙層、雙面雙層結構。根據實驗結果顯示，使用高熱傳導撓曲基板時，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，將可因變更基板設計而大幅改善。

事實上，除高功率LED外，高熱傳導撓曲基板，還可應用在其它高功率半導體組件上，適用于空間有限、或是高密度封裝等環境。不過，僅僅依賴封裝基板，往往無法滿足實際需求，因此基板外圍材料的配合也變得益形重要，例如配合3W/(mK)的熱傳導性膜片，就能夠有效再提高其散熱性。