中心議題：
- LED散熱途徑分析
- 散熱基板發(fā)展趨勢(shì)
- 國(guó)際大廠LED產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)
眾所周知，LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今已成為目前最受矚目的產(chǎn)業(yè)。LED產(chǎn)品擁有節(jié)能、省電、高效率、反應(yīng)時(shí)間快、壽命周期長(zhǎng)、且不含汞，具有環(huán)保等多種優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)。但是LED仍有它的不足，通常LED高功率產(chǎn)品輸入功率大約20%能轉(zhuǎn)換成光，而剩下80%的電能均轉(zhuǎn)換為熱能。
我們知道，LED發(fā)光時(shí)所產(chǎn)生的熱量如果無(wú)法散出，將直接導(dǎo)致LED溫度過(guò)高，從而影響LED產(chǎn)品生命周期、發(fā)光效率、穩(wěn)定性，而LED結(jié)面溫度、發(fā)光效率及壽命之間的關(guān)系。
圖一為L(zhǎng)ED結(jié)面溫度與發(fā)光效率之關(guān)系圖，當(dāng)結(jié)面溫度由25℃上升至100℃時(shí)，其發(fā)光效率將會(huì)衰退20%到75%不等，其中又以黃色光衰退75%最為嚴(yán)重。此外，當(dāng)LED的操作環(huán)境溫度愈高，其產(chǎn)壽命亦愈低(如圖二所示)，當(dāng)操作溫度由63℃升到74℃時(shí)，LED平均壽命將會(huì)減少3/4。因此，要提升 LED的發(fā)光效率，LED系統(tǒng)的熱散管理與設(shè)計(jì)便成為了一重要課題，在了解LED散熱問(wèn)題之前，必須先了解其散熱途徑，進(jìn)而針對(duì)散熱瓶頸進(jìn)行改善。
一、LED散熱途徑
依據(jù)不同的封裝技術(shù)，其散熱方法亦有所不同，而LED各種散熱途徑方法約略可以下圖三示意之：
散熱途徑說(shuō)明：
- 從空氣中散熱
- 熱能直接由System circuit board導(dǎo)出
- 經(jīng)由金線將熱能導(dǎo)出
- 若為共晶及Flip chip制程，熱能將經(jīng)由通孔至系統(tǒng)電路板而導(dǎo)出
一般而言，LED顆粒(Die)以打金線、共晶或覆晶方式連結(jié)于其基板上(Substrate of LED Die)而形成一LED芯片( chip)，而后再將LED芯片固定于系統(tǒng)的電路板上(System circuit board)。因此，LED可能的散熱途徑為直接從空氣中散熱(如圖三途徑1所示)，或經(jīng)由LED顆粒基板至系統(tǒng)電路板再到大氣環(huán)境。而散熱由系統(tǒng)電路板 至大氣環(huán)境的速率取決于整個(gè)發(fā)光燈具或系統(tǒng)之設(shè)計(jì)。
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然而，現(xiàn)階段的整個(gè)系統(tǒng)之散熱瓶頸，多數(shù)發(fā)生在將熱量從LED顆粒傳導(dǎo)至其基板再到系統(tǒng)電路板為主。此部分的可能散熱途徑：其一為直接藉由晶?；迳嶂?系統(tǒng)電路板(如圖三途徑2所示)，在此散熱途徑里，其LED顆?；宀牧系臒嵘⒛芰礊橄喈?dāng)重要的參數(shù)。另一方面，LED所產(chǎn)生的熱亦會(huì)經(jīng)由電極金屬導(dǎo)線 而至系統(tǒng)電路板，一般而言，利用金線方式做電極接合下，散熱受金屬線本身較細(xì)長(zhǎng)之幾何形狀而受限(如圖三途徑3所示)；因此，近來(lái)即有共晶 (Eutectic) 或覆晶(Flip chip)接合方式，此設(shè)計(jì)大幅減少導(dǎo)線長(zhǎng)度，并大幅增加導(dǎo)線截面積，如此一來(lái)，由LED電極導(dǎo)線至系統(tǒng)電路板之散熱效率將有效提升(如圖三途徑4所示)。
經(jīng)由以上散熱途徑解釋?zhuān)傻弥峄宀牧系倪x擇與其LED顆粒的封裝方式于LED熱散管理上占了極重要的一環(huán)，后段將針對(duì)LED散熱基板做概略說(shuō)明。
二、LED散熱基板
LED散熱基板主要是利用其散熱基板材料本身具有較佳的熱傳導(dǎo)性，將熱源從LED顆粒導(dǎo)出。因此，我們從LED散熱途徑敘述中，可將LED散熱基板細(xì)分兩 大類(lèi)別，分別為(1)LED顆粒基板與(2)系統(tǒng)電路板，此兩種不同的散熱基板分別乘載著LED顆粒與LED芯片將LED顆粒發(fā)光時(shí)所產(chǎn)生的熱能，經(jīng)由 LED顆粒散熱基板至系統(tǒng)電路板，而后由大氣環(huán)境吸收，以達(dá)到熱散之效果。
系統(tǒng)電路板
系統(tǒng)電路板主要是作為L(zhǎng)ED散熱系統(tǒng)中，最后將熱能導(dǎo)至散熱鰭片、外殼或大氣中的材料。近年來(lái)印刷電路板(PCB) 的生產(chǎn)技術(shù)已非常純熟，早期LED產(chǎn)品 的系統(tǒng)電路板多以PCB為主，但隨著高功率LED的需求增加，PCB之材料散熱能力有限，使其無(wú)法應(yīng)用于其高功率產(chǎn)品，為了改善高功率LED 散熱問(wèn)題，近期已發(fā)展出高熱導(dǎo)系數(shù)鋁基板(MCPCB)，利用金屬材料散熱特性較佳的特色，已達(dá)到高功率產(chǎn)品散熱的目的。然而隨著LED亮度與效能要求的 持續(xù)發(fā)展，盡管系統(tǒng)電路板能將LED 晶片所產(chǎn)生的熱有效的散熱到大氣環(huán)境，但是LED顆粒所產(chǎn)生的熱能卻無(wú)法有效的從晶粒傳導(dǎo)至系統(tǒng)電路板，異言之，當(dāng)LED功率往更高效提升時(shí)，整個(gè)LED 的散熱瓶頸將出現(xiàn)在LED顆粒散熱基板，下段文章將針對(duì)LED顆?；遄龈钊氲奶接?。
LED顆?；?/strong>
LED顆?；逯饕亲鳛長(zhǎng)ED 晶粒與系統(tǒng)電路板之間熱能導(dǎo)出的媒介，藉由打線、共晶或覆晶的制程與LED 晶粒結(jié)合。而基于散熱考量，目前市面上LED顆?；逯饕蕴沾苫鍨橹?，以線路備制方法不同約略可區(qū)分為：厚膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷、以及薄膜陶 瓷基板三種，在傳統(tǒng)高功率LED元件，多以厚膜或低溫共燒陶瓷基板作為晶粒散熱基板，再以打金線方式將LED顆粒與陶瓷基板結(jié)合。如前言所述，此金線連結(jié) 限制了熱量沿電極接點(diǎn)散失之效能。
因此，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大廠無(wú)不朝向解決此問(wèn)題而努力。其解決方式有二，其一為尋找高散熱系數(shù)之基板材料，以取代氧化鋁， 包含了矽基板、碳化矽基板、陽(yáng)極化鋁基板或氮化鋁基板，其中矽及碳化矽基板之材料半導(dǎo)體特性，使其現(xiàn)階段遇到較嚴(yán)苛的考驗(yàn)，而陽(yáng)極化鋁基板則因其陽(yáng)極化氧 化層強(qiáng)度不足而容易因碎裂導(dǎo)致導(dǎo)通，使其在實(shí)際應(yīng)用上受限，因而，現(xiàn)階段較成熟且普通接受度較高的即為以氮化鋁作為散熱基板；
然而，目前受限于氮化鋁基板 不適用傳統(tǒng)厚膜制程(材料在銀膠印刷后須經(jīng)850℃大氣熱處理，使其出現(xiàn)材料信賴(lài)性問(wèn)題)，因此，氮化鋁基板線路需以薄膜制程備制。以薄膜制程備制之氮化 鋁基板大幅加速了熱量從LED顆粒經(jīng)由基板材料至系統(tǒng)電路板的效能，因此大幅降低熱量由LED顆粒經(jīng)由金屬線至系統(tǒng)電路板的負(fù)擔(dān)，進(jìn)而達(dá)到高熱散的效果。
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另一種熱散的解決方案為將LED顆粒與其基板以共晶或覆晶的方式連結(jié)，如此一來(lái)，大幅增加經(jīng)由電極導(dǎo)線至系統(tǒng)電路板之散熱效率。然而此制程對(duì)于基板的布線 精確度與基板線路表面平整度要求極高，這使得厚膜及低溫共燒陶瓷基板的精準(zhǔn)度受制程網(wǎng)版張網(wǎng)問(wèn)題及燒結(jié)收縮比例問(wèn)題而不敷使用?，F(xiàn)階段多以導(dǎo)入薄膜陶瓷基 板，以解決此問(wèn)題。薄膜陶瓷基板以黃光微影方式備制電路，輔以電鍍或化學(xué)鍍方式增加線路厚度，使得其產(chǎn)品具有高線路精準(zhǔn)度與高平整度的特性。共晶/覆晶制 程輔以薄膜陶瓷散熱基板勢(shì)必將大幅提升LED的發(fā)光功率與產(chǎn)品壽命。
近年來(lái)，由于鋁基板的開(kāi)發(fā)，使得系統(tǒng)電路板的散熱問(wèn)題逐漸獲得改善，甚而逐漸往可撓曲之軟式電路板開(kāi)發(fā)。另一方面，LED顆粒基板亦逐步朝向降低其熱阻方向努力，下表一即為目前臺(tái)灣地區(qū)常見(jiàn)的系統(tǒng)電路板以及LED顆?；宸N類(lèi)與主要供應(yīng)商：
三、LED陶瓷散熱基板介紹
如何降低LED顆粒陶瓷散熱基板的熱阻為目前提升LED發(fā)光效率最主要的課題之一，若依其線路制作方法可區(qū)分為厚膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷、以及薄膜陶瓷基板三種，分別說(shuō)明如下：
厚膜陶瓷基板
厚膜陶瓷基板乃采用網(wǎng)印技術(shù)生產(chǎn)，藉由刮刀將材料印制于基板上，經(jīng)過(guò)干燥、燒結(jié)、雷射等步驟而成，目前國(guó)內(nèi)厚膜陶瓷基板主要制造商為禾伸堂、九豪等公司。 一般而言，網(wǎng)印方式制作的線路因?yàn)榫W(wǎng)版張網(wǎng)問(wèn)題，容易產(chǎn)生線路粗糙、對(duì)位不精準(zhǔn)的現(xiàn)象。因此，對(duì)于未來(lái)尺寸要求越來(lái)越小，線路越來(lái)越精細(xì)的高功率LED產(chǎn) 品，亦或是要求對(duì)位準(zhǔn)確的共晶或覆晶制程生產(chǎn)的LED產(chǎn)品而言，厚膜陶瓷基板的精確度已逐漸不敷使用。
低溫共燒多層陶瓷
低溫共燒多層陶瓷技術(shù)，以陶瓷作為基板材料，將線路利用網(wǎng)印方式印刷于基板上，再整合多層的陶瓷基板，最后透過(guò)低溫?zé)Y(jié)而成，而其國(guó)內(nèi)主要制造商有璟德電子、鋐鑫等公司。而低溫共燒多層陶瓷基板之金屬線路層亦是利用網(wǎng)印制程制成，同樣有可能因張網(wǎng)問(wèn)題造成對(duì)位誤差，此外，多層陶瓷疊壓燒結(jié)后，還會(huì)考量其收 縮比例的問(wèn)題。因此，若將低溫共燒多層陶瓷使用于要求線路對(duì)位精準(zhǔn)的共晶/覆晶LED產(chǎn)品，將更顯嚴(yán)苛。
薄膜陶瓷基板
為了改善厚膜制程張網(wǎng)問(wèn)題，以及多層疊壓燒結(jié)后收縮比例問(wèn)題，近來(lái)發(fā)展出薄膜陶瓷基板作為L(zhǎng)ED顆粒的散熱基板。薄膜散熱基板乃運(yùn)用濺鍍、電/電化學(xué)沉 積、以及黃光微影制程制作而成，具備：
(1)低溫制程(300℃以下)，避免了高溫材料破壞或尺寸變異的可能性；
(2)使用黃光微影制程，讓基板上的線路 更加精確；
(3)金屬線路不易脫落等特點(diǎn)，因此薄膜陶瓷基板適用于高功率、小尺寸、高亮度的LED，以及要求對(duì)位精確性高的共晶/覆晶封裝制程。而目前 國(guó)內(nèi)主要以璦司柏電子與同欣電等公司，具備了專(zhuān)業(yè)薄膜陶瓷基板生產(chǎn)能力。
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四、國(guó)際大廠LED產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)
目前LED產(chǎn)品發(fā)展的趨勢(shì)，可從LED各封裝大廠近期所發(fā)表的LED產(chǎn)品功率和尺寸觀察得知，高功率、小尺寸的產(chǎn)品為目前LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)，且均使用陶瓷散熱基板作為其LED顆粒散熱的途徑。因此，陶瓷散熱基板在高功率，小尺寸的LED產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，已成為相當(dāng)重要的一環(huán)，以下表二即為國(guó)內(nèi)外主要之 LED產(chǎn)品發(fā)展近況與產(chǎn)品類(lèi)別作簡(jiǎn)單的匯整。
五、結(jié)論
要提升LED發(fā)光效率與使用壽命，解決LED產(chǎn)品散熱問(wèn)題即為現(xiàn)階段最重要的課題之一，LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展亦是以高功率、高亮度、小尺寸LED產(chǎn)品為其發(fā)展重點(diǎn)，因此，提供具有其高散熱性，精密尺寸的散熱基板，也成為未來(lái)在LED散熱基板發(fā)展的趨勢(shì)?，F(xiàn)階段以氮化鋁基板取代氧化鋁基板，或是以共晶或覆晶制程 取代打金線的晶粒/基板結(jié)合方式來(lái)達(dá)到提升LED發(fā)光效率為開(kāi)發(fā)主流。在此發(fā)展趨勢(shì)下，對(duì)散熱基板本身的線路對(duì)位精確度要求極為嚴(yán)苛，且需具有高散熱性、 小尺寸、金屬線路附著性佳等特色，因此，利用黃光微影制作薄膜陶瓷散熱基板，將成為促進(jìn)LED不斷往高功率提升的重要觸媒之一。
