技術專文

高功率LED散熱新突破-陶瓷COB技術大幅節省封裝製程成本

LED封裝方式是以晶粒(Die)藉由打線、共晶或覆晶封裝技術與其散熱基板Submount(次黏著技術)連結而成LED晶片，再將晶片固定於系統板上連結成燈源模組。

目前，LED封裝方法大致可區分為透鏡式(Lens-type)以及反射杯式(Reflector-type)，其中透鏡的成型可以是模塑成型(Molding)或透鏡黏合成型；如圖1(a)所示，而反射杯式晶片則多由混膠、點賿、封裝成型；如圖1(b)所示。近年來磊晶、固晶及封裝設計逐漸成熟，LED的晶粒尺寸與結構逐年微小化，高功率單顆晶粒功率達1~3W，甚至是3W以上，當LED功率不斷提升，對於LED晶粒載版及系統電路版的散熱及耐熱要求，便日益嚴苛。

鑑於絕緣、耐壓、散熱與耐熱等綜合考量，陶瓷基板成為以晶粒次黏著技術的重要材料之一。其技術可分為厚膜製程(Thick film)、低溫共燒製程(LTCC)與薄膜製程(DPC)等方式製成。然而，厚膜製程與低溫共燒製程，是利用網印技術與高溫製程燒結，易產生線路粗糙、對位不精準、與收縮比例問題，若針對線路越來越精細的高功率LED產品，或是要求對位準確的共晶或覆晶製程生產的LED產品而言，厚膜與低溫共燒的陶瓷基板，己逐漸不敷使用。


為此，高散熱系數薄膜陶瓷散熱基板，運用濺鍍、電／化學沉積，以及黃光微影製程而成，具備金屬線路精準、材料系統穩定等特性，適用於高功率、小尺寸、高亮度的LED的發展趨勢，更是解決了共晶／覆晶封裝製程對陶瓷基板金屬線路解析度與精確度的嚴苛要求。而璦司柏電子除了生產薄膜陶瓷散熱基板外，又為符合不同照明需求，另外開發出薄膜陶瓷COB(Chip On Board)散熱基板(表1即為璦司柏COB陶瓷基板解決方案)。

當LED晶粒以陶瓷作為載板時，此LED模組的散熱瓶頸則轉至系統電路板，其將熱能由LED晶片傳至散熱鰭片及大氣中，隨著LED晶粒功能的逐漸提升，材料亦逐漸由FR4轉變至金屬芯印刷電路基板(MCPCB)，但隨著高功率LED的需求進展，MCPCB材質的散熱系數(2~4W/mk)無法用於更高功率的產品，為此，陶瓷電路板(Ceramic circuit board)的需求便逐漸普及。

為確保LED產品在高功率運作下的材料穩定性與光衰穩定性，以陶瓷作為散熱及金屬佈線基板的趨勢已日漸明朗。陶瓷材料目前成本高於MCPCB，因此，如何利用陶瓷高散熱系數特性下，節省材料使用面積以降低生產成本，成為陶瓷LED發展的重要指標。因此，近年來，以陶瓷材料COB設計整合多晶封裝與系統線路亦逐漸受到各封裝與系統廠商重視。

COB在電子製造業裡並不是新技術，是指直接將裸晶圓黏貼在電路板上，並將導線／焊線直接焊接在PCB的鍍金線路上，也是俗稱中的打線(Wire bonding)，再透過封膠的技術，有效的將IC製造過程中的封裝步驟轉移到電路板上直接組裝。在LED產業中，由於現代科技產品越來越講究輕薄與高可攜性，此外，為了節省多顆LED晶片設計的系統板空間問題，在高功率LED系統需求中，便開發出直接將晶粒黏貼於系統板的COB技術。

COB優點在於：高成本效益、線路設計簡單、節省系統板空間等，但亦存在著晶粒整合亮度、色溫調和與系統整合的技術門檻。以25W的LED為例，傳統高功率25W的LED光源，須採用25顆1W的LED晶片封裝成25顆LED元件，而COB封裝是將25顆1W的LED晶片封裝在單一晶片中，因此需要的二次光學透鏡將從25片縮減為1片，有助於縮小光源面積、縮減材料、系統成本，進而可簡化光源系二次光學設計並節省組裝人力成本。

此外，高功率COB封裝僅需單顆高功率LED即可取代多顆1瓦(含)以上LED封裝，促使產品體積更加輕薄短小。目前市面上，生產COB產品仍以使用MCPCB基板為主，然而MCPCB仍有許多散熱以及光源面積過大的問題須解決，故其根本之道，還是從散熱材料更新為最有效的解決方案。璦司柏電子所研發生產的陶瓷COB基板有以下幾點好處：1.薄膜製程，讓基本上的線路更加精確；(2)量大降低成本；(3)可塑性高，可依合作夥伴的不同需求做設計。

COB的發展，是簡化系統板的趨勢，照明燈具的實用化、亮度、散熱以及成本的控管，都是重要的關鍵因素。ICP除了提供各種薄膜散熱基板給單顆晶片封裝外，更提供了獨立發展的薄膜線路COB基板，給不同高功率用途的使用者，與其更彈性的選擇，以期待LED照明早日變的更普及化，為地球綠化盡一份心力。