LED 封裝散熱技術 - 固晶

LED 之於傳統光源的優點很多, 省電, 壽命長, 不含汞, 環保, 效率高...等. 大家都知道. 而大家也都很清楚目前LED要解決的問題之一在於散熱. 因為輸入的能量以目前的技術大約只有20%轉換為光, 還有近80%的能量是以熱散出. 而偏偏溫度又是影響LED輸出流明及壽命的一個很重要的變數, 隨著溫度的上升, 光輸出及壽命都很下降, 所以散熱的設計在LED的應用中扮演著很重要的角色

而講LED的散熱結構, 牽扯的層面也相當廣, 從磊晶, 封裝, 基板材料, 到系統散熱等都是可以切入的課題. 這裡先以封裝的固晶相關技術為重點談起.

固晶, 英文稱die bond, die attache, 或 die amount, 顧名思義, 是將LED 晶片 (die, 或稱chip) 固定在基板上的製程. 而固晶的方式大約分為三類: 銀膠固晶法 (Ag-epoxy), 共晶法 (Eutectic)及 覆晶法 (flip chip)

銀膠固晶是一般低功率LED模組最常看到的固晶方式. 所謂銀膠, 即在環氧樹脂 (epoxy) 中加入銀粉以增加其導電及導熱性. 其導熱係數一般在 5W/mK, 雖然可以利用增加銀粉的方式來增加其導熱性, 但因樹脂的比例降低, 固晶強度也會降低. 一般而言, 以增加銀粉的方式, 最高只能將導熱係數提昇到20W/mK. 而銀膠固晶主要的缺點在於導熱係數差, 及銀膠在高溫下劣化的問題.

共晶製程是晶片使用金錫合金焊接於含有金或銀的基板上, 當加熱到共晶溫度時, 金或銀會滲到合晶中, 而改變合金的元素比例, 會使合金的熔點上升, 因此合金會凝固而將LED固定在基板上. 共晶製程可使導熱係數提高到約 60W/mK. 缺點在製程較複雜, 而且必須考慮 LED 及基板的耐熱性.

如下圖, 覆晶製程是將LED倒接在基板上, 多以金為焊接的介面. 此固晶方式具導電佳, 散熱快的優點

為了提高LED的散熱, 目前大功率LED的廠商多是使用Eutectic 或 Flip Chip 的結構.