高功率LED陶瓷封装技术的发展现况.doc

高功率LED陶瓷封裝技術的發展現況發光二極體(LED)於今日已被廣泛應用於可攜式產品與建築物中，如手機背光源、手電筒、汽車的警示燈與煞車燈、建築物裝飾燈、造景燈與地底燈等。隨著科技日益進步，在350mA 操作電流下，LED 的光通量已可突破100 流明且達到照明光源的門檻。不僅如此， LED 更具備下列幾項獨特的優點，足以促使LED 逐漸取代現有光源；1.技術方面：LED 具有高可靠度、高光源品質、穩定性及長壽命等優點，且發光效率(lm/W)仍可持續地大幅改善，有朝一日將會高於現有光源；2.經濟效益方面：LED 具備節能、可降低維護費用與可持續改善lm/dollar 等優點；3.綠色環保方面：LED 符合RoHS 與California Title 24 的要求，不像白熾燈泡因無法通過RoHS 而將全面被禁用。基於上述，相信在近期內LED 將有機會應用於街燈、路燈、停車場照明、崁燈與造景燈等，未來更有機會應用於一般照明如日光燈與居住照明，其相關應用場合之照片如圖一所示。圖一、發光二極體於今日、明日與未來的應用例綜觀上述， LED 確實具有足夠優勢可逐漸取代現有光源，而讓LED 可進入照明光源門檻(80100 lm/W)的幕後功臣，首推Cree 公司，該公司於2007 年7 月宣布XLampXR-E 系列 LED 已可大量生產，在350 mA操作電流下，光通量皆可高於100 流明，換言之，發光效率可高於86 lm/W（如圖二所示）。Cree 描述此宣告可視為新的LED 發光等級標準，這是令人印象深刻的數字，因為這正意味著優越的發光性能將有助於加速LED 進入於一般照明市場。圖二、XLamp XR-E系列 LED的光通量與發光效率高功率LED 陶瓷封裝技術高功率LED 陶瓷封裝技術主要可區分成厚膜陶瓷技術與積層陶瓷技術兩種。此兩種技術皆曾被相關業者用於達成高功率LED 封裝，並在市面上銷售。然而，利用積層陶瓷作為高功率LED 封裝材料並不普及，其原因在於積層陶瓷技術不論在材料成本上或在製程程序上皆比厚膜陶瓷來得不具優勢，因此積層陶瓷技術較常被應用於小尺寸的低功率LED 封裝。1. 厚膜陶瓷技術厚膜陶瓷技術主要是利用0.20.4mm厚度的陶瓷基板為素材，並以具高熱導係數的陶瓷基板材料為優先選擇對象，如氧化鋁(20W/mK)或氮化鋁(170W /mK)等，皆為現今高功率LED 陶瓷封裝材料的主要候選者。選定陶瓷基板材料後，再利用雷射鑽出所需的導通孔，讓稍後鋪設的銀電極可從陶瓷基板的上表面導通至下表面；至於在銀電極的鋪設方面，主要是利用網印技術將銀膠(Paste)印製在陶瓷基板上並產生所需之圖形，經燒烤後即完成電路，此為厚膜陶瓷技術。利用此技術應用於高功率LED 封裝的典型業者，首推Cree 與Lumileds公司最具代表性，兩公司皆成功地分別推出XLamp 與Rebel 產品並於市場上銷售。除了Cree 與Lumileds 外， Nippon Carbide 公司也利用厚膜陶瓷技術發展出陶瓷載板產品，該產品類似於支架(Leadframe)形式，可提供給LED 封裝業者多一項選擇。上述三種封裝型式頗具特色，因此本文將逐一介紹此三種封裝技術的特點。（詳細介紹內容及圖片請連結至本文）。2. 積層陶瓷技術積層陶瓷技術，顧名思義是將經已打孔、填孔、印製線路的陶瓷生胚堆疊在一起，經疊壓、預切與共燒等製程，即可完成具多層陶瓷與線路的基板。依其材料與燒製溫度，可將積層陶瓷技術區分成低溫共燒陶瓷(LTCC)與高溫共燒陶瓷(HTCC)兩大類，若再依其技術演變則可細分別類成下列5 種產品： 1.LTCC； 2.LTCC-M（LTCC 金屬基板）；3.HTCC-Al2O3（材質為氧化鋁）；4.HTCC-AlN（材質為氮化鋁）；5.LTCC/HTCC-Heat Slug（LTCC 或HTCC + Heat Slug）。此五類產品各自擁有其競爭優勢，因此皆頗為市場上所接受。京瓷(Kyocera)早在2003 年成功開發出高亮度LED 陶瓷封裝，為業界最早的供應廠商之一；其封裝材料主要採用高導熱係數的氧化鋁與氮化鋁，並利用高溫共燒陶瓷技術製作成具銀質Reflector Cavity 的積層陶瓷封裝體，如圖六所示，該陶瓷封裝因其散熱性能與耐熱性能皆優於樹脂材料，因此當LED 晶片溫度過高時，陶瓷封裝較不會發生迅速老化現象。為了再提昇積層陶瓷封裝體的散熱性能，京瓷於去年成功地開發出具CopperHeat Slug 的積層陶瓷封裝，此最新產品因使用高導熱係數的銅柱作為最主要的導熱介質，所以可大幅降低其熱阻值。除增加積層陶瓷封裝體的散熱性能外，該新產品也因屏除銀反射鏡之設計，進而可大幅度改善矽膠與封裝體間的接著性，原因在於矽膠與陶瓷間的接著特性優於矽膠與銀反射鏡的接著性。圖六、京瓷(Kyocera)公司開發的陶瓷封高功率LED 陶瓷封裝的熱阻量測與熱模擬在熱阻量測前，可藉由熱傳模擬先預知高功率LED 陶瓷封裝的界面溫度與整體封裝體的溫度分佈情形，進而加以判斷陶瓷封裝的散熱能力。以Nippon Carbide 公司開發的陶瓷載板（尺寸為7070）搭配S 公司的晶片（尺寸40mil）為例，透過Flotherm 熱傳模擬軟體進行熱傳模擬，可精確地計算出LED 的界面溫度，其結果如圖十所示，界面溫度會隨著輸入功率上升而增高，當輸入功率為0.3 瓦時，其界面溫度為165.64C 。此界面溫度遠超出125C 操作上限，因此印證了LED 不能在無散熱鰭片的情況下單獨操作；一般大多皆會搭配散熱片如較常被選用的Star ，讓LED 的界面溫度降低至125C以下，使LED 得以正常運作。有鑑於此，作者亦將高功率LED 陶瓷封裝焊接於Star上，再進行熱模擬分析，以觀察其散熱改善狀況，其模擬結果如圖十一所示， Star 散熱片確實可有效降低LED 的界面溫度，可從165.64C 降低至107.96C（輸入功率為0.3 瓦時）。圖十、高功率LED 陶瓷封裝的熱傳模擬結果圖十一、高功率LED 陶瓷封裝焊接於Star 上的熱傳模擬結果以上模擬數據只能作為參考之用，事實上還是必須以實際量測結果為準則。經儀器設備量測後得知，在操作電流為350mA 下，陶瓷封裝(7070) + Star 的整體熱阻(Rja)、界面溫度(Tj)與Star 板溫(Tb)分別為61.30 K/W 、91.12C 與70.6C ，其中界面溫度91.12C與模擬結果107.96C 相差不大，這意味著若有足夠的數據資料庫來修正參數，則可讓模擬結果更貼近實驗數據。另外，若將整體熱阻(Rja)再細分成Rjb (18.20 K/W)與Rba (43.10 K/W)，則可透過Rjb 值的大小來評斷陶瓷基板的散熱能力。利用此一分析方法即刻可將氮化鋁基板、氧化鋁基板、低溫共燒陶瓷與LTCC + Thermal Via 等不同封裝型式作一散熱性能排序，其優劣順序依序為氮化鋁基板(9.91 K/W)、氧化鋁基板(18.20 K/W)、LTCC + Thermal Via (20.1 K/W)與低溫共燒陶瓷(46.2 K/W)。以上數據並非在同一基板厚度下進行比較，因此其數值仍會依其厚度的變異而有所不同。高功率LED 陶瓷封裝技術之簡略式專利分析以日本專利資料庫為主要搜尋對象並進行一簡略式分析後獲知， NGK 、Kyocera 、Nichia 、Samsung 、Stanley 、Matsushita 與Tokuyama 等公司對於申請LED 陶瓷封裝相關專利均有涉獵，從圖十二中可得知，大部分的專利皆於2002 年後才揭露並提出申請，其揭露件數有逐年增加的趨勢，這意味著LED 陶瓷封裝直到2002 年後才逐漸受到重視，時至今日LED 陶瓷封裝仍是一火紅的產業，且其相關技術仍持續創新中。圖十二、專利申請日與申請件數之關係圖另外，從這些專利技術內容亦可知，大部分的專利仍著重於揭露反射杯的製作與其結構設計。因此，反射杯在封裝結構中扮演著舉足輕重的角色，反射杯的反射率越高越有助於提升整體LED封裝的出光率。高功率LED 陶瓷封裝技術的發展與趨勢，仍朝高散熱性能（低熱阻）、高結構可靠度、高出光率、長壽命、易加工（施工）、小尺寸與低成本等方向持續地不斷在改進；而高功率LED 陶瓷封裝憑藉著其獨特的耐高溫與不易劣化等特性，將有機會於高功率LED 市場佔一席之地， LED 的功率越高則陶瓷封裝越有機會