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2021/12/25
LED作為封裝產品出售，主要原因是LED晶元裸露很容易碎，封裝起到保護作用，免受損壞。標準化的封裝也讓廠商在生產線上更容易操作。但是，還有另外一個考慮：LED的效率只有40％左右，這意味著剩餘的60％都以熱量的形式流出。
與任何電子設備一樣，太多的熱量可以造成嚴重的損壞，因此需要儘快去除。這就是熱量管理之所在。
隨著LED在功率上的增加而尺寸卻在縮小，熱量管理成為LED封裝的一個重要方面。固態照明（SSL）行業長期一直在處理高功率LED的熱量挑戰，但最新的晶元級封裝（CSP）又引入了全新的熱量設計挑戰。
LED封裝進化
早期的LED使用通孔封裝，將晶元安裝在支架上，並用環氧樹脂透鏡封裝。然後將支架的正負極通過印刷電路板（PCB）的通孔焊接。這種類型的封裝在LED的早期是普遍存在的，並且現在仍然用於功率指示器的應用。
隨著自動化程度的不斷提高，製造商需要能夠輕鬆表面貼裝的LED，特別是用於電視和顯示器的背光應用，這直接導致了引腳式封裝（PLCC）LED 的出現，特別是低功率和中功率LED。這些標準化的PLCC LED成為了自己成功的犧牲品，因為製造量太大，造成了供過於求的現象，直到今天還在影響中。
因此，LED製造商不得不尋找新市場以出售PLCC LED，特別是新興的普通照明市場。中功率PLCC LED非常適用於更換燈泡和燈管照明應用，從而有助於降低LED照明的價格（圖1）。由於LED廠商大量推出LED，加上禁止諸如白熾燈等低效技術的新規定，為LED照明走向主流創造了完美的環境。大功率LED
隨著市場的發展，對更小、更高功率器件的要求也在增加，比如汽車前照燈和聚光燈等應用。這又給LED製造商帶來了新的挑戰：如何讓LED晶元足夠冷，可以有效地運行？PLCC的設計並不具有足夠的導熱性，而通孔設計能有效地導熱，但是它們不能表面貼裝，因此缺乏可擴展性。
行業於是轉向將LED晶元用密封劑覆蓋，安裝在導熱但需要電隔離的基板上。這些基板由氧化鋁(Al₂O₃)或氮化鋁（AlN）製成，並提供所需的散熱能力，同時保證容易表面貼裝。這些大功率LED（HP LED）提供了完美的解決方案，但是有一個明顯的缺點：成本，因為AlN的成本則尤其高。
行業所面臨的困境是如何降低中高功率LED的成本，同時不影響標準化封裝的熱量要求和SMT優勢。
從陶瓷封裝LED到CSP
一段時間之前，一般半導體行業通過切換到晶元級封裝技術來處理類似的挑戰。為了製造CSP LED，倒裝晶元結構基座的p和n節點需金屬化處理，頂部和側面用磷光體覆蓋。圖2描繪了不同的LED架構。
CSP成品必須不能超過晶元本身的20％以上，才能作為CSP（下一級是晶圓級封裝，WLP，其封裝必須與晶元尺寸相同）。顯然，傳統的中高功率LED的元件必須要去除，以便縮小到CSP LED。對於HP LED，陶瓷基板和透鏡必須要去除，而對於PLCC，整個晶元的外殼要去除。
圖2 中功率LED、大功率LED和CSP LED
的結構有很大差異
對於中功率PLCC LED來說，失去晶元的外殼並不是問題，由於這個原因，中功率CSP已經在背光應用中高效運行了多年。
2015年，Lumileds推出了一款白色CSP，開始將該技術推向普通照明應用。三星、首爾半導體和日亞化學等製造商相繼推出不同的版本，競爭激烈，它們將預示著市場將如何發展。
三星推出4×4或更多的CSP陣列，首爾半導體選擇了晶圓級集成晶元直接安裝在PCB上（WICOP），而日亞則將其CSP定義為直接安裝晶元（DMC），並且只能頂面發光，減少串擾。這些不同的方法有助於形成一個非常動態的市場。行業人士估計，到2020年將佔到所有HP LED的34％。這些產品開始在各種應用中使用，包括路燈（圖3）。
圖3 CSP LED正用於戶外照明應用，比如路燈
CSP的機遇和挑戰
除了更小之外，CSP生產成本更低。CSP仍然能夠通過標準表面貼裝技術（SMT）PCB組裝線，因此該產品可以直接替代PLCC和陶瓷HP LED。這不僅僅是成本，也是能力。
為了表面貼裝裸露的LED晶元，需要半導體無塵室車間，而CSP LED可以沿著標準的PCB裝配線。靈活性將CSP LED的優點推向整個二級製造基地，並為標準封裝LED提供了經濟高效的替代方案。
CSP這麼小，好處是可以將它們排的非常靠近，可以創建極其強大的模塊。缺點是這樣密集的組合，加上大功率LED和缺乏散熱陶瓷層，會產生大量的熱量。熱量挑戰現在由二級集成商處理，唯一的選擇是將CSP LED安裝到具有更好熱量性能的PCB上。
亟需新的熱量處理方式
LED行業為大多數模塊和陣列使用高效金屬包覆的PCB（MCPCB）。MCPCB通常由約1.5mm厚的鋁片（偶爾為銅）構成，用電介質環氧樹脂貼在薄銅片（通常為30m左右）上。該環氧樹脂填充有導熱材料如AlN的粒子，以增加其熱性能而不影響材料的電絕緣性能。
最好的情況下，這種製造MCPCB的方法會達到大約100 W/mK的導熱率（通常要少得多）。雖然這種性能對於大多數LED模塊是完全可以接受的，但是導熱的方式對CSP卻是挑戰。CSP是一個點熱源，尺寸小和高溫意味著它們可以快速使任何不具有所需導熱性的基板飽和，從而使LED容易過熱。
不能提供足夠導熱性和LED晶元過熱的代價是降低使用壽命、降低可靠性、降低光質，最終導致災難性故障。因而亟待提出一個板級熱管理的解決方案，既可以處理CSP的熱分佈，又不會增加太多的成本，同時保持可生產性及使用標準PCB裝配線的能力。
一種替代方法是使用電化學氧化（ECO）技術。例如，Cambridge Nanotherm將鋁的表面轉化為導熱的、但電隔離的陶瓷層。由於這種Al₂O₃層具有高電絕緣性，所以只需要幾十微米厚，就能提供足夠的介電強度以滿足大多數要求。這種組合使得納米陶瓷具有非常高的導熱性。
Nanotherm LC用薄層環氧樹脂附在銅電路層上，導熱係數為115 W/mK，是功率密集的CSP LED模塊和陣列的理想選擇。
雖然CSPLED在行業中持續受到關注，但由於熱量因素，其發展必然會受到限制，除非行業能找到新型的熱量管理辦法。考慮到通過CSPLED能實現差異化和成本節約，前景無限，毫無疑問，行業將會找到適當的創新解決方案。在這方面，納米陶瓷正處於領先。
■編譯/CNLED網 James
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