LED散熱基板介紹及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)探析

隨著全球環(huán)保的意識(shí)抬頭，節(jié)能省電已成為當(dāng)今的趨勢(shì)。LED產(chǎn)業(yè)是近年來最受矚目的產(chǎn)業(yè)之一。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(zhǎng)、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)光效率及壽命之間的關(guān)系，以下將利用關(guān)系圖作進(jìn)一步說明。

1、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示意之：

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晶片(chip)，而后再將LED晶片固定于系統(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，或經(jīng)由LED晶?；逯料到y(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)。

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?；迳嶂料到y(tǒng)電路板，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(zhǎng)之幾何形狀而受限;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(zhǎng)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)電路板之散熱效率將有效提升。

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。

2、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L(zhǎng)ED晶?；迮c系統(tǒng)電路板，此兩種不同的散熱基板分別乘載著LED晶粒與LED晶片將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)到熱散之效果。

2.1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晶片所產(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晶粒散熱基板。

2.2LED晶?；?

LED晶?；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)散失之效能。因此，近年來，國(guó)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)之基板材料，以取代氧化鋁，包含了矽基板、碳化矽基板、陽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。