图6是各种金属系封装基板的特性比较,一般而言金属封装基板的等价热传导率标准大约是2W/m?K,为满足客户4~6W/m?K高功率化的需要,业者已经推出等价热传导率超过8W/m?K的金属系封装基板。
由于硬质金属系封装基板主要目的是支持高功率LED的封装,因此各封装基板厂商正积极开发可以提高热传导率的技术。
硬质金属系封装基板的主要特征是高散热性。图7与图8是仿真分析LED芯片发热量为1W时,2W/m ?K一般封装基板与8W/m?K超高热传导封装基板正常使用状态下的温度分布特性。
由图8可知使用高热传导性绝缘层封装基板,可以大幅降低LED芯片的温度。此外基板的散热设计,透过散热膜片与封装基板的组合,还可望延长LED芯片的使用寿命。
金属系封装基板的缺点是基材的金属热膨胀系数非常大,类似低热膨胀系数陶瓷系芯片组件焊接时,容易受到热循环冲击,如果高功率LED的封装使用氮化铝时,金属系封装基板可能会发生不协调问题,因此必需设法吸收LED模块的各材料热膨胀系数差异造成的热应力,藉此缓和热应力提高封装基板的可靠性。
可挠曲系基板的特性
可挠曲基板的主要用途大多集中在布线用基板,以往高功率晶体管与IC等高发热组件几乎不使用可挠曲基板,最近几年液晶显示器为满足高辉度化需求,强烈要求可挠曲基板可以高密度设置高功率LED,然而LED的发热造成LED使用寿命降低,却成为非常棘手的技术课题,虽然利用铝板质补强板可以提高散热性,不过却有成本与组装性的限制,无法根本解决问题。
图9是高热传导挠曲基板的断面结构,它是在绝缘层黏贴金属箔,虽然基本结构则与传统挠曲基板完全相同,不过绝缘层采用软质环氧树脂充填高热传导性无机填充物的材料,具有与硬质金属系封装基板同等级8W/m?K的热传导性,同时还兼具柔软可挠曲、高热传导特性与高可靠性(表1),此外可挠曲基板还可以依照客户需求,将单面单层面板设计成单面双层、双面双层结构。
高热传导挠曲基板的主要特征是可以设置高发热组件,并作三次元组装,亦即它可以发挥自由弯曲特性,进而获得高组装空间利用率。
图10是高热传导挠曲基板与传统聚亚酰胺(Polyi-mide)挠曲基板,设置1W高功率LED时的散热实验结果,聚亚酰胺基板的厚度为25μm,基板的散热采用自然对流方式。
根据实验结果显示使用高热传导挠曲基板时,LED的温度大约降低100℃,这意味着温度造成LED使用寿命降低的问题可望获得改善。