LED封装基板.doc

LED封装基板的研究摘要：大功率LED向高电流度、高光通量发展，LED的散热至关重要，散热基板的使用直接影响LED器件的使用性能与可靠性。简介LED封装结构及散热方式，主要介绍LED封装基板的发展现状，对比分析树脂基板、金属基板、陶瓷基板（HTCC、LTCC、TFC、DBC、DPC）、硅基板以及新型材料的结构特点与性能。同时对LED基板的发展趋势和需要解决的问题进行了预测。关键词：大功率LED、散热、封装基板引言随着资源的短缺、环境的恶化，环保成为当今各个产业的主旋律。半导体照明对节能环保意义重大。由于LED具有节能环保、寿命长、光效高、色彩丰富、抗震耐用、安全可靠、响应快、智能控制等一系列优点，被广泛使用。作为新一代照明器，随着LED朝着大功率发展，散热成为了限制其发展的关键因素。封装材料与工艺占整个LED灯具成本的30%60%，而散热是大功率LED封装技术的关键所在，直接影响到灯具的性能和可靠性。所以，散热基板的选用成为大功率LED封装的关键。纵观LED封装技术的不断发展，就是功率不断增加、热阻不断降低及光效不断提高的过程。由此可以看出大功率LED封装关键技术就是选用高性能的散热基板，不仅可以降低低热阻，提高出光效率，同时可以提高器件的可靠性。封装对基板材料性能的要求如下：热导率高，介电常数地，与芯片材料的热膨胀系数匹配，力学强度高，加上性能好，成本低等。 以前LED器件功率较小，散热问题并不是很严重，随着电子封装技术向着小型化、高密度、多功能和高可靠性发展，电子系统的功率密度随之增加，散热问题越来越严重。目前常用的基板材料主要包括塑料基板、金属基板、陶瓷基板和复合材料四大类。文章主要介绍了基板材料的特性、应用及发展状况，从而为大功率LED封装基板选择和封装设计提供技术参考。1 LED封装结构和散热方式1.1 LED封装结构封装作为LED产业链中承上启下的环节，对LED的产业性能起着决定作用。其关键技术在于在有限成本范围内尽可能多的提高发光效率，同时降低封装热阻，提高可靠性。多年的发展，现在LED封装结构主要有四种：正装、倒装、垂直和三维垂直；同时封装的形式从单芯片封装到多芯片封装，从引脚式（Lamp）到贴片式（SMD）再到基板平面组装（COB）、系统封装（SIP）和远程荧光（RP）封装等。随着大功率LED芯片性能的迅速提高，又出现了EMC(Epoxy molding compound)封装、CSP(Chip scale package)芯片级封装、3D阵列式封装等新的高效封装技术。其中图1给出了目前LED产品的封装形式图1 LED产品封装形式1.2 LED散热方式对于一个LED灯具，热量首先由LED芯片产生，然后通过热传导、对流、辐射三种方式进行传递。下图2展示的是典型大功率LED散热通道：对于1通道，透镜向空气中辐射散热的方式有限，可以忽略；2通道是散热的主要过程，代表有芯片到封装基板再到空气得到散热；3通道是利用金线散热，受限于金属线本身细长的几何形状；4通道采用共晶接合方式，有电极导线至系统电路板散热，效率比金线方式高。图2 典型大功率LED散热通道散热有系统电路值大气环境的速率取决于整个发光灯具系统的设计，同时封装基板作为整个LED散热系统关键的环节，既承载芯片，最重要的是讲芯片产生的热传导给冷却装置的载体，起着承上启下的作用。所以，散热基板的选择很重要。2 LED封装基板研究进展2.1 树脂基板由上文介绍，引脚式的LED由于功率小，可以直接采用金属支架进行散热。而贴片式LED采用了高温改性塑料，以聚邻苯二甲酰胺树脂为原料，通过添加改性填料来增强PPA原料的热塑性、抗黄化、与金属引线框架的粘结性等，从而适合注塑成型及贴片式LED封装。PPA 塑料热导率较低（0.3-0.6），其散热主要通过金属引线框架进行，散热能力有限，因此也只适用于小功率LED封装。最近几年来，LED封装开始采用新型的热固性塑料EMC和SMC。EMC(Epoxy molding compound)封装,是以环氧树脂作为基体，以高性能酚醛树脂为固化剂，加入导热系数极高硅微粉作为填料，以及添加多种助剂混配而成的粉状塑料。SMC则由30%左右不饱和树脂、40%左右玻璃纤维、无机填料以及其他添加剂组成。这两种热塑料固化温度在150左右，改性后热导率可达47W/（mK）,与PPA塑胶相比有较大提高，但缺点是流动性与导热性较难兼顾，固化成型后硬度过高容易产生裂纹和毛刺，固化时间长，成型效率相对较低，对模压成型设备、磨具及配套设备要求高，大规模普及尚有难度。上述所讲的分立器件封装，起到散热作用的主要是金属引线或支架（热电一体），树脂材料主要起到是填充作用，还没有形成基板的概念。为了形成平面阵列LED封装，可以使用环氧玻璃布（FR4）热导率（0.20.3W/(m.K)较低，耐热性较差，一般仅适用于小功率或集成度较低的LED阵列器件封装。为了提高PCB基板导热性能，图3是局部强化散热型PCB基板，余彬海等通过在PCB上钻孔，再利用模压工业嵌入铜热沉的方法，研制出来一种局部强化散热型PCB基板；图4是Angie Fan等人通过电镀填铜方式有效提高了PCB基板的导热能力【】。图3 局部强化散热型PCB基板图4 PCB基板上电镀铜孔扫描电镜2.2 金属基板（MCPCB）MCPCB(Metal core printed circuit board)金属核印刷电路板，就是把PCB板直接黏贴在热导率更高的金属上，利用金属的高热导性将芯片产生的热量散发到外界，其热导率能到（12.2W/（m.K）.MCPCB一般有三层，包括电路层、绝缘层和金属基板层，常作为系统电路基板，结构如图5所示。图5 MCPCB基本结构因其成本低，可实现大尺寸、大规模生产，并在封装时实现热电分离同时存在一些问题。因为绝缘层为含无机填充物的环氧树脂，热导率较低，限制了整个基板的导热能力；热膨胀系数(CTE)都不匹配，固晶界面应力大，容易产生裂缝、脱层问题；使用温度较低，限制了使用温度。MCPCB基板的关键问题在于提高中间层的热导率和耐热性，下面介绍了目前的技术途径：途径一：台湾钻石科技中心开发出一种类钻碳材料DLC（Diamond Like Carbon）,其热导率（475W/（m.K），耐热性好、强度高等特点，将取代环氧树脂绝缘层，将其应用于MCPCB基板制作，可大大提高热导率，实际应用效果还要经过市场检验；途径二：采用陶瓷层代替绝缘层，美国Thermastrate公司采用高导热陶瓷代替有机绝缘层，大大提高了金属基板的导热和耐热性能。新型MCPCB热导率提高到200W/（m.K），热阻降低为三分之一，并能承受较高的使用温度（200）；途经三及时通过阳极氧化形成的氧化铝膜作为绝缘层，这项途径的关键在于生长一层2030um厚的氧化铝膜，然后膜层进行封孔处理以提高绝缘性及耐蚀性，最后通过丝网印刷或溅射制作电路层，具体结构如下图6所示，其最大的特点是金属铝与氧化铝结合力强（剥离强度达5N/mm以上），热导率高（1020W/（m.K）且耐热性好。由于工艺复杂、成本高，其市场接受有待观察。图5 MCPCB基本结构途径四是镜面铝基板，通过去除局部的绝缘层，LED芯片直接固晶在镀银铝基板上，一方面基板导热能力大大提高，同时由于镜面铝基板反射率高，可提高LED出光效率，但存在耐击穿电压低等安全问题。2.3 陶瓷基板陶瓷材料具有强度高、绝缘性好、导热和耐热性能优良、热膨胀系数小、活血稳定性好等优点，适合作为LED封装基板。目前常用陶瓷基板材料的性能，如下表1所示：表1 常用陶瓷材料性能材料组成熔点/密度/(g.cm-3)热导率W.(m. )-1CTE/10-6-1综合评价氧化铝Al2O318603.6320306.08.0性价比高，应用广泛氮化铝AlN24703.26170240