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製造成本持續下滑,讓LED應用範圍、及有意願採用LED的產業範圍不斷擴增,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於大功率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 企業面臨歐盟RoHS規範,需正視將冷陰極燈管全面無水銀化的環保壓力,造成市場對於大功率LED的需求更加急迫。LED封裝除了保護內部LED晶元 外,還兼具LED晶元與外部作電氣連接、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?接下來在產生這麼大的流明后,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,對於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晶元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,更何況大功率白光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。

　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晶元高功率化常用方式是：晶元大型化、改善發光效率、採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。

　對大功率LED封裝技術上而言,由於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高效率化之後另1個備受關心的新發展。

　過去由於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,並不會造成太大的散熱問題,但應用於照明用的大功率LED,其發光效率約為20%~30%左右,雖晶元面積相當小,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。

　　高功率加速金屬基板取代樹脂材料

　　關於LED封裝基板散熱設計,目前大致可以分成,LED晶元至封裝體的熱傳導、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晶元整體產生的熱流,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。大多數人認為,隨LED晶元大型化、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,硬質基板屬於傳統金屬材料,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、耐熱衝擊性等金屬特性,厚度方面通常大於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。

　　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,製成高密度封裝基板,透過鋁質基板薄板化后,達可撓曲特性,並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,但由於高效率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。由於硬質金屬封裝基板主要目的是,能夠滿足大功率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。

　不過,金屬封裝基板的缺點是,金屬熱膨脹係數很大,當與低熱膨脹係數陶瓷晶元焊接時,容易受熱循環衝擊,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,各種不同熱膨脹係數材料,所造成的熱應力差異,提高封裝基板的可靠性。