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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4～7W/（m·K）,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（0.2～0.3W/(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（1～2.2W/（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20～30um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（10～20W/（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. ℃)-1
CTE
/10-6℃-1
综合评价
氧化铝Al2O3
1860
3.63
20～30
6.0～8.0
性价比高，应用广泛
氮化铝AlN
2470
3.26
170～240
3.3～5.0
性能优良，价格昂贵
氧化铍BeO
2350
3.03
200～240
6.8
粉末有毒，限制作用
碳化硅SiC
2830
3.2
250～270
3.7～4.2
硬度大，绝缘性差
氮化硼BN
3000
2.27
55～60
2.0～3.0
硬度大，难以加工
氧化铝和氮化铝是两种常用的基片材料。从结构与制造工艺而言，陶瓷基板又可分为DBC、DPC、HTCC、LTCC、TFC等。
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