高功率LED的散熱設計與應用趨勢分析
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檢視目前的LED散熱改善手段的處理技術瓶頸,其實LED晶粒外部的光學材料所能改善的熱交換效率有限,這是礙于勿理性的限制,改善幅度相當有限,反而是作為基板的System circuit board和晶粒上為了導通供應驅動電力的金線,算是可大幅改善LED元件散熱效率的重要關鍵處,尤其是基礎載板的散熱效能改善,投入的改善措施其效益最為顯著、實際。
而目前也有LED元件廠,嘗試從金線下手,將金線距離縮短、線徑增大,藉此提升LED核心晶粒的散熱效能,但LED封裝 手法的改善效果有限,在成本與效益上仍未能如透過基礎載板的散熱改善措施來得更具效益。
而LED的散熱措施,觀察LED元件構造會發(fā)現,散熱的關鍵會只剩下LED晶粒與元件本身承載晶粒的載板,與LED元件與安裝于系統(tǒng)主機板上的電路載板兩個改善手段,基本上承載LED晶粒的載板屬于LED封裝制程中可以介入控制的關鍵點,而LED元件與所安裝的電路板載板散熱關系,則是一般LED模塊 廠所關注的散熱改善重點。
解決LED核心熱源的散熱處理方式
在LED晶粒基板部分,主要是將LED晶粒在發(fā)光過程所產生的核心熱源,快速傳導到外部的重要關鍵,一般基于散熱考量,在高功率的LED元件方面,多數會采取散熱效率相對較佳的陶瓷基板為主,目前有薄膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷、 厚膜陶瓷基板等基板制法,高功率會產生高熱的高亮度元件,多數都采行 低溫共燒多層陶瓷或厚膜陶瓷基板,透過基礎載臺本身的高熱傳導效率,去提升將核心晶粒在發(fā)光歷程所產生的高熱,快速傳導到元件外部。
從此可以理解,陶瓷散熱基板可以說是能將LED元件本身的散熱條件,一舉提升的制程材料改善手段,也是目前高功率LED的制作方式,亦有必要針對此進行深入說明。
LED薄膜陶瓷基板
與低溫共燒多層陶瓷、厚膜陶瓷基板基板技術不同的是,薄膜陶瓷基板則是采取濺鍍手段或是化學沈積方式,或佐以黃光微影制程制作,其中,透過黃光微影會使線路精密度方面遠遠超越低溫共燒多層陶瓷與厚膜陶瓷基板制作方式,而300度低溫制程可避免陶瓷基板的體積變異問題,雖然優(yōu)點較多,其制作成本也相對增加。
LED低溫共燒多層陶瓷
低溫共燒多層陶瓷基板技術是采取用陶瓷材料,作為基板基礎材料的手段,制作方式是預先將相關線路透過網印手法印刷在基板表面,進而整合多層陶瓷基板制作,而最后的制程階段則是應用低溫燒結制作而成。
但低溫共燒多層陶瓷基板的制作手段繁復,加上金屬線路部分為采用網印方式處理,在對位誤差和精確度部分仍會出現可能的技術限制,而多層陶瓷結構經過燒結制作過程,也會遭遇熱脹、冷縮的問題,若想在低溫共燒多層陶瓷基板上再應用需針對對位極為精準要求的覆晶制作LED元件產品,其終端產品的良率提升將是一大挑戰(zhàn)。
LED厚膜陶瓷基板
厚膜陶瓷基板同樣也是采取網印方式制作,其工法是預先將材料印制到基板表面,當印刷內容物干燥后,基板再經由燒結程序、雷射處理等步驟,完成厚膜陶瓷基板整個制作流程。
與低溫共燒多層陶瓷一樣,厚膜陶瓷基板一樣會遭遇到精密度的問題,尤其是對位會有誤差、線路型態(tài)較為粗糙,在產品不斷要求集積化、小型化的趨勢下,厚膜陶瓷基板的制作方式將會遭遇產品小型化的嚴苛挑戰(zhàn),同樣在面對共晶、覆晶的制作需求時,厚膜陶瓷基板也會有對位與精確度的物理限制存在。
但前述也有提到,透過打金線的方式改善,再搭配特殊陶瓷基板的模式,對于LED元件散熱具有相當大的效益,但金線連結的散熱效能仍相當有限,近來也有多種解決方案針對此進行改善,例如采用具高散熱系數的基板材料,如以碳化硅基板或矽基板取代傳統(tǒng)的氧化鋁材質,或改用氮化鋁或陽極化鋁基板等手段,藉此達到內部高效散熱目的。
高功率LED元件 模塊廠的散熱設計手段
而在系統(tǒng)電路板的部份,多半是模塊廠著墨較多的改善角度,早期LED模塊產品大多使用PCB 材料作為架構基礎,但實際上PCB材料的散熱效率有限,近來針對高效能LED光源模塊多數已逐漸導入具高效導熱的金屬基板材質取代PCB,例如鋁基板(MCPCB)或是其它利用金屬材料強化的應用基板,除了系統(tǒng)電路板本身的應用材質改變外,為了近一步強化散熱與熱交換效率,于模塊外部也會采取設置鋁擠型散熱鰭片,或主動式散熱風扇,透過強制氣冷的手段強化加速熱散逸的目的。
各式高功率LED燈具模塊
在LED元件的核心,也有嘗試透過改善金線的制作邏輯,改用覆晶或共晶的模式將晶粒與外部進行連結,取得供應電源 的設計方式,而透過此法所制成的LED元件,內部連接晶粒的導線從點的接觸一舉變成面的連結,熱傳導的基礎條件大幅強化,自然也能加速內部的熱源散逸到元件外部!但共晶或覆晶的制程手段成本較高,對于基板的精密度要求極高,假若基板的平整度不佳,也會影響后段成品的良率表現,其技術成熟度仍需要時間考驗。
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