淺談高功率LED封裝之陶瓷封裝基板

在LED產業中,如果增加電流強度會使LED發光量成比例增加,可是LED晶片的發熱量也會隨之上升。因為在高輸入領域放射照度呈現飽和與衰減現象,這種現象主要是LED晶片發熱所造成,因此在製造高功率LED晶片時,必須先解決其散熱問題。

白光LED的發熱隨著輸入電流強度的增加而上升,會造成LED晶片的溫升效應,造成光輸出降低,因此LED封裝結構與使用材料的挑選顯得非常重要。由於過去LED常使用低熱傳導率樹脂封裝,成為了影響LED散熱特性的原因之一,不過,近年來逐漸改用高熱傳導陶瓷,或是設有金屬板的樹脂封裝結構。目前的高功率LED晶片常以LED晶片大型化、改善LED晶片發光效率、採用高取光效率封裝,以及大電流化等方式提高發光強度,常規的樹脂封裝不能滿足苛刻的散熱要求。

以往的傳統高散熱封裝是把LED晶片放置在金屬基板上周圍再包覆樹脂,可是這種封裝方式的金屬熱膨脹係數與LED晶片差異相當大,當溫度變化非常大或是封裝作業不當時極易產生熱歪斜,進而引發晶片瑕疵或是發光效率降低。採用陶瓷封裝基板可以有效地解決熱歪斜問題。這主要是因為LED封裝用陶瓷材料分成氧化鋁與氮化鋁,氧化鋁的熱傳導率是環氧樹脂的55倍,氮化鋁則是環氧樹脂的400倍,因此目前高功率LED封裝用基板大多使用熱傳導率為200W/mK的鋁,或是熱傳導率為400W/mK的銅質金屬封裝基板。

我們都知道LED的封裝除了保護內部LED晶片之外,還具有將LED晶片與外部作電氣連接、散熱等功能。LED封裝要求LED晶片產生的光線可以高效率透身到外部,因此封裝必須具備高強度、高絕緣性、高熱傳導性與高反射性,讓人興奮的是陶瓷封裝幾乎具備上述所有特性,再說陶瓷耐熱性與耐光線劣化性也比樹脂優秀。

未來發展高功率LED晶片時,必然會面臨熱歪斜問題,這是不能忽視的問題。高功率LED的封裝結構,不但要求能夠支援LED晶片磊晶接合的微細佈線技術,而且關於材質的發展,雖然氮化鋁已經高熱傳導化,但高熱傳導與反射率的互動關係卻成為新的問題。如果未來能提高氮化鋁的熱傳導率,並且具備接近陶瓷的熱膨脹係數的LED晶片時,解決高功率LED的熱歪斜問題就不在話下了。
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