高功率LED用基板的發展：材料世界網

在過去，由於LED元件的使用多以顯示用途為主，對於高散熱需求並不高，所以搭載LED用的基板多使用諸如FR-4之類樹脂系的基板。2000年以後，LED邁向高輝度、高效率化發展，特別是藍光LED元件更是有了長足的進步，而使得LED的需求漸從手機光源、液晶面板背光光源等顯示用途領域，邁向車內照明、廣告顯示看板等高功率需求用途，甚至推估在2010年LED照明燈具將會正式浮出檯面。

當前LED元件最重要的技術發展課題之一就是針對構裝高功率LED的製品提出絕佳的散熱對策，期能在發揮高輝度效果下，達到節省電力、提升使用壽命等的要求。在此發展背景之下，許多廠商開始在高散熱基板的採用上，轉向使用成本效益較佳的金屬基基板，但亦不乏有廠商是在陶瓷、藍寶石等各類基板上深下功夫的，究竟何者為佳，就靜待觀看後續各廠商的研發成果了。本文僅以金屬基基板為主，探討高功率LED用基板的技術動向，另亦就近年來廠商研發各類高散熱性金屬基板所獲得之成果，做一簡單介紹。

金屬基基板
金屬基基板大致可分為兩大類，一類為硬質系基板，另一類則為可撓式基板，如圖一所示。圖一(a)為傳統的金屬基板，是能活用高熱傳導性、易加工性、磁遮蔽性、耐熱衝擊性等金屬特性的基板，一般的厚度約在1mm以上，多用在LED燈模組以及照明模組上，最近則檢討使用為高功率LED用基板的可行性。圖一(b)則為可撓式基板，搭配薄化的金屬基板，成為帶有可撓特性的基板，具備高熱傳導性與撓曲性，可應用為汽車導航之類中型液晶面板的背光板。就液晶需求領域而言，金屬基基板的使用出現多元的變化，茲簡述如下。

圖一、(a)硬質系金屬基板，提高散熱性；(b)可撓式基板，薄化發展具撓曲特性
(製圖：材料世界網)

1. 硬質系基板
最常見到的基本構造如圖一所示，是在金屬基板的單面，以環氧樹脂接著劑，使銅箔接著在其上方而成為銅張積層板。若其再透過不同金屬材質與絕緣層材質的選用搭配，就能因應各種用途所需，提供不同需求的金屬基板。

高功率LED用基板最不可欠缺的特性就是高散熱特性。採用銅為金屬基板，加以絕緣層使用充填有高熱傳導性之無機填充劑的充填環氧樹脂，是為常見的使用方式。一般金屬基基板的等校性熱傳導率約是以2W/m．K為標準，高功率級要求達4～6W/m．K，而為因應消費者更高功率的需求，業者也推出8W/m．K以上的基板，甚至發表過與陶瓷並用而具有14W/m．K級熱傳導效率的基板。

金屬基基板存在有金屬熱膨脹係數過大的缺點，當其配搭由熱膨脹係數較小之陶瓷等所製的晶片零件時，會受到熱衝擊影響，而會出現焊接龜裂的問題。高功率LED構裝上，使用氮化鋁貼附於金屬基基板上，也會有樣的問題。解決之道就是要設法吸收掉各材料間因熱膨脹係數差異所產生的熱應力。

2. 可撓式基板
通常，金屬可撓式基板的用途幾乎都是作為配線用基板來使用，並不會將之用在高功率系電晶體及IC般高發熱零組件上，可是在液晶產業領域，為了因應高輝度化發展，而強烈要求高功率LED的高密度搭載。這些搭載元件的發熱，造成LED壽命的縮減，因而出現以鋁板做為補強板來提升基板散熱性的作法，可是這又受限於零組件的使用與成本的考量，此舉並無法獲得根本解決。隨後終發展出可撓式金屬基基板，又可將之稱為高熱傳導可撓式基板。

高熱傳導可撓式基板的構造，如圖二所示。其基本構造略等同於一般的聚亞醯胺可撓式基板，但其以金屬箔貼於絕緣層，而該絕緣層正是其特徵所在。該絕緣層所使用的材料是由在柔軟性環氧樹脂中充填高熱傳導性無機充填劑而製成，得使該基板具有前述金屬基基板同為2W/m．K級的熱傳導率，卻還兼具有基板柔軟性，使基板的設計更為多樣化。經實驗證明，該高熱傳導可撓式基板，約可降低LED溫度達10℃，有效提高LED的使用壽命。

圖二、高熱傳導可撓式基板的構造

基板的製作研發例
接下來，僅擇LED用氮化鋁及氮化鎵基板的最近研發成果，做一新基板製作技術的簡要介紹。
1.氮化鋁(AlN)基板
東京農工大學與專業產製氮化鋁的Tokuyama公司合作研發，將鋁原料分子做選擇性的控制，並以HEPV( Hydride Vapor Phase Epitaxy )法，成功在Si基板上製作出高品質AlN的單晶基板，如圖三所示。過去在製作基板之際，欲使AlN成長，其底座基板多使用藍寶石，但一直面臨著AlN膜不易從藍寶石剝離的技術問題。如今改以價格低廉的Si為底座基板，使AlN進行厚膜成長之後，再以溶解方式除去Si基板，而能得到透明的高品質AlN單晶基板，適用於高功率白光LED照明燈具的製作。關於該基板技術的詳細介紹，可參考2007年4月20日出刊的應用物理學會論文誌(JJAP Part,Vol.46,No.17)。

圖三、AlN基板
圖三、AlN基板
(來源：Science Portal)

2.氮化鎵(GaN)基板
古河機械金屬公司已於2007年度開始小批量生產高功率LED用GaN基板(圖四)。其GaN基板在製造時施以特殊的加工，使結晶缺陷變少，基板品質更為精良。

該公司早期在GaN基板的製作上，需要使用到專用的製造設備，而且在製程中，還會遇到GaN基板從藍寶石底座基板處剝離時，因兩者熱膨脹係數不同，而易於產生破裂的問題，以及將GaN沉積在藍寶石基板上，易在其結晶內部產生Mura，造成品質的不良。今日該公司改採獨家可抑制結晶Mura的製作法，先在藍寶石基板上，以一定之間隔設置妥難於貼附GaN的二氧化矽，再予氣體噴射處理，讓GaN避開二氧化矽而呈山形狀堆積。而後，在GaN整平時，Mura會集中在最初沉積於山狀的最上層部份，可經切削過程將之去除。冷卻後，反翹藍寶石基板，就能得到品質高的透明GaN基板。目前該製造成本是藍寶石基板的約百倍，該公司當務之急是要將之降為10倍差之內。

圖四、透明的GaN基板，可見文字穿透其間

基板相關產品應用例
松下電器產業於2007年3月中旬開始量產銷售採用GaN基板的藍光LED晶片，分別是車載、照明使用的「LNJ090W3GRA」、照相機快閃記憶體所用的「LNJ090W3GRA」，以及小型點光源型的「LNJ0Y0F9KRA」，其構裝外形尺寸分別為7.7×4.2×1.5mm、4.0×4.0×1.4mm、2.04×1.64×0.7mm(圖五)。為了讓銷售價格壓低，一般的藍光LED晶片，多是使用藍寶石基板。松下電器採用GaN基板，讓發光層內的缺陷密度降低1/100以下，並大幅改善大電流區域當中的特性，達到LED的高功率化。其GaN基板具有比藍寶石基板高約5倍的高導電性。

該藍光LED晶片的GaN基板與發光層採用相同的氮化物系半導體，具有相同的折射率，由於基板與發光層介面的光難以反射，加以在GaN基板的內面，還有防止全反射的凹凸設計，據此可獲得比藍寶石基板高1.5倍以上的光取出效率。該藍光LED晶片以Flip-chip構裝，光取出側即為GaN基板側。其白光LED的特性為發光波長460nm、順向電流350mA中的全放射通量為355mW，外部量子效率為38%。

圖五、採用GaN基板製作的藍光LED晶片。由左至右分別為「LNJ090W3GRA」、「LNJ0H0V8KRA」、「LNJ0Y0F9KRA」

三菱化學公司從2005年4月開始生產白光LED用螢光體與GaN 基板。在過去，要做到GaN結晶的均質化相當困難，如今三菱化學以獨家的HVPE技術與基板加工技術，成功開發出均質且結晶缺陷少(圖六)的GaN 基板，其發光效率較藍寶石基板提高2～5成。目前在藍寶石上使GaN結晶化的氣相成長法所製作直徑2 吋的GaN 基板價格是一片100萬日圓，三菱化學將積極改善製作手法，讓價格下降達其1/10。此外，該公司計畫持續提升白光LED照明亮度，在照明領域以及大型液晶顯示器的背光光源、車燈等領域，發展其新事業，期許能成為高輝度白光LED材料的全球第一供應商。

圖六、(a)三菱化學獨家技術製得之GaN，其結晶具有均質性；(b)以傳統技術製得之GaN，其週期性缺陷密度出現濃淡，濃者部份表示為缺陷