一、前言
隨著全球環(huán)保意識(shí)的抬頭，節(jié)能省電已成為當(dāng)今的趨勢。LED產(chǎn)業(yè)是近年來最受矚目的產(chǎn)業(yè)的一。發(fā)展至今，LED產(chǎn)品已具有節(jié)能、省電、高效率、反應(yīng)時(shí)間快、壽命周期長、且不含汞，具有環(huán)保效益…等優(yōu)點(diǎn)。然而通常LED高功率產(chǎn)品輸入功率約為20%能轉(zhuǎn)換成光，剩下80%的電能均轉(zhuǎn)換為熱能。
一般而言，LED發(fā)光時(shí)所產(chǎn)生的熱能若無法導(dǎo)出，將會(huì)使LED結(jié)面溫度過高，進(jìn)而影響產(chǎn)品生命周期、發(fā)光效率、穩(wěn)定性，而LED結(jié)面溫度、發(fā)光效率及壽命的間的關(guān)系，以下將利用關(guān)系圖作進(jìn)一步說明。
圖一為LED結(jié)面溫度與發(fā)光效率的關(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)品壽命亦愈低(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散熱問題的前，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。
二、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的：
圖三 LED散熱途徑示意圖。(散熱途徑說明：)
1. 從空氣中散熱
2. 熱能直接由Systemcircuitboard導(dǎo)出
3. 經(jīng)由金線將熱能導(dǎo)出
4. 若為共晶及Flipchip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晶粒(Die)以打金線、共晶或覆晶方式連結(jié)于其基板上(SubstrateofLEDDie)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(Systemcircuitboard)。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晶粒基板至系統(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)的設(shè)計(jì)。
然而，現(xiàn)階段整個(gè)系統(tǒng)的散熱瓶頸，多數(shù)發(fā)生在將熱量從LED晶粒傳導(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：其一為直接藉由晶粒基板散熱至系統(tǒng)電路板(如圖三途徑2所示)，在此散熱途徑里，其LED晶粒基板材料的熱散能力即為相當(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)長的幾何形狀而受限(如圖三途徑3所示)；因此，近來即有共晶(Eutectic)或覆晶(Flipchip)接合方式，此設(shè)計(jì)大幅減少導(dǎo)線長度，并大幅增加導(dǎo)線截面積，如此一來，藉由LED電極導(dǎo)線至系統(tǒng)電路板的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，可得知散熱基板材料的選擇與其LED晶粒的封裝方式于LED熱散管理上占了極重要的一環(huán)，后段將針對(duì)LED散熱基板做概略說明。
三、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晶粒導(dǎo)出。因此，我們從LED散熱途徑敘述中，可將LED散熱基板細(xì)分兩大類別，分別為(1)LED晶粒基板與(2)系統(tǒng)電路板，此兩種不同的散熱基板分別承載著LED晶粒與LED芯片將LED晶粒發(fā)光時(shí)所產(chǎn)生的熱能，經(jīng)由LED晶粒散熱基板至系統(tǒng)電路板，而后由大氣環(huán)境吸收，以達(dá)到熱散的效果。
1. 系統(tǒng)電路板
系統(tǒng)電路板主要是作為LED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的材料散熱能力有限，使其無法應(yīng)用于其高功率產(chǎn)品，為了改善高功率LED散熱問題，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芯片所產(chǎn)生的熱有效的散熱到大氣環(huán)境，但是LED晶粒所產(chǎn)生的熱能卻無法有效的從晶粒傳導(dǎo)至系統(tǒng)電路板，異言的，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晶粒散熱基板，下段文章將針對(duì)LED晶粒基板做更深入的探討。
2. LED晶粒基板
LED晶粒基板主要是作為LED晶粒與系統(tǒng)電路板的間熱能導(dǎo)出的媒介，藉由打線、共晶或覆晶的制程與LED晶粒結(jié)合。而基于散熱考慮，目前市面上LED晶粒基板主要以陶瓷基板為主，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組件，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晶粒與陶瓷基板結(jié)合。如前言所述，此金線連結(jié)限制了熱量沿電極接點(diǎn)散失的效能。因此，近年來，國內(nèi)外大廠無不朝向解決此問題而努力。
其解決方式有二，其一為尋找高散熱系數(shù)的基板材料，以取代氧化鋁，包含了硅基板、碳化硅基板、陽極化鋁基板或氮化鋁基板，其中硅及碳化硅基板的材料半導(dǎo)體特性，使其現(xiàn)階段遇到較嚴(yán)苛的考驗(yàn)，而陽極化鋁基板則因其陽極化氧化層強(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)材料信賴性問題)，因此，氮化鋁基板線路需以薄膜制程備制。以薄膜制程備制的氮化鋁基板大幅加速了熱量從LED晶粒經(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晶粒經(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。
另一種熱散的解決方案為將LED晶粒與其基板以共晶或覆晶的方式連結(jié)，如此一來，大幅增加經(jīng)由電極導(dǎo)線至系統(tǒng)電路板的散熱效率。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)問題及燒結(jié)收縮比例問題而不敷使用。現(xiàn)階段多以導(dǎo)入薄膜陶瓷基板，以解決此問題。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必將大幅提升LED的發(fā)光功率與產(chǎn)品壽命。
近年來，由于鋁基板的開發(fā)，使得系統(tǒng)電路板的散熱問題逐漸獲得改善，甚而逐漸往可撓曲的軟式電路板開發(fā)。另一方面，LED晶粒基板亦逐步朝向降低其熱阻方向努力，下表一即為目前國內(nèi)常見的系統(tǒng)電路板以及LED晶粒基板種類與主要供貨商：
表一LED散熱基板種類及其主要供貨商
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基板種類 |
特色 |
主要供貨商 |
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系統(tǒng)電路板 |
硬式印刷電路板 |
˙ 技術(shù)純熟，具有線路 layout 上的優(yōu)勢
˙ 散熱性不佳且尺寸大
˙ 僅適合使用于低功率產(chǎn)品 |
佳總、競國、 雅新 |
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軟式印刷電路板 |
˙ 重量輕、可撓性、厚度薄
˙ 傳導(dǎo)率約為 2~3W/mK |
聚鼎、新?lián)P科 |
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高熱導(dǎo)系數(shù)鋁基板 |
˙ 將印刷電路板下層改為鋁材料，形成鋁基板
˙ 傳導(dǎo)率約為 1~2.2W/mK
˙ 適用于高功率 LED 產(chǎn)品 |
聯(lián)茂、聚鼎、佳 總、先豐 |
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DCB |
˙ 熱傳導(dǎo)率高，約 200~800W/mK、導(dǎo)熱性好
˙ 制程困難度高，不容易量產(chǎn) |
工研院材化所 |
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LED 晶粒基板 |
陶瓷基板
(Al2O3 / AIN) |
˙ 散熱性佳，熱傳導(dǎo)率約24~170W/mK
˙ 厚度薄、尺寸小
˙ 使用壽命長、可抗腐蝕、耐高溫、物理特性穩(wěn)定
˙ 適用于高功率 LED |
九豪、璦司柏、 同欣、禾伸堂、 鋐鑫 |
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薄膜陶瓷基板 |
˙ 最大操作溫度可達(dá) 800℃，適合于高操作溫度與 制程溫度的環(huán)境
˙ 散熱性佳，熱傳導(dǎo)系數(shù)約 24~170W/mK |
璦司柏、同欣 |
四、LED陶瓷散熱基板介紹
如何降低LED晶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的一，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，分別說明如下：
1. 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)過干燥、燒結(jié)、雷射等步驟而成，目前國內(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)于未來尺寸要求越來越小，線路越來越精細(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。
2. 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，最后透過低溫?zé)Y(jié)而成，而其國內(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的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)問題造成對(duì)位誤差，此外，多層陶瓷迭壓燒結(jié)后，還會(huì)考慮其收縮比例的問題。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。
3. 薄膜陶瓷基板
為了改善厚膜制程張網(wǎng)問題，以及多層迭壓燒結(jié)后收縮比例問題，近來發(fā)展出薄膜陶瓷基板作為LED晶粒的散熱基板。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。而目前國內(nèi)主要以璦司柏電子與同欣電等公司，具備了專業(yè)薄膜陶瓷基板生產(chǎn)能力。
五、國際大廠LED產(chǎn)品發(fā)展趨勢
目前LED產(chǎn)品發(fā)展的趨勢，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晶粒散熱的途徑。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)，以下表二即為國內(nèi)外主要的LED產(chǎn)品發(fā)展近況與產(chǎn)品類別作簡單的匯整。
表二國內(nèi)外主要的LED產(chǎn)品發(fā)展近況與產(chǎn)品類別
六、結(jié)論
要提升LED發(fā)光效率與使用壽命，解決LED產(chǎn)品散熱問題即為現(xiàn)階段最重要的課題的一，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，也成為未來在LED散熱基板發(fā)展的趨勢。現(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)合方式來達(dá)到提升LED發(fā)光效率為開發(fā)主流。在此發(fā)展趨勢下，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，或?qū)⒊蔀榇龠M(jìn)LED不斷往高功率提升的重要觸媒的一。
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