LED散熱基板技術發(fā)展趨勢分析

LED散熱基板技術發(fā)展趨勢分析

1、前言

????? 隨著全球環(huán)保的意識抬頭，節(jié)能省電已成為當今的趨勢。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、反應時間快、壽命周期長、且不含汞，具有環(huán)保效益…等優(yōu)點。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)光時所產(chǎn)生的熱能若無法導出，將會使LED結(jié)面溫度過高，進而影響產(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系，以下將利用關系圖作進一步說明。

　　圖一為LED結(jié)面溫度與發(fā)光效率之關系圖，當結(jié)面溫度由25℃上升至100℃時，其發(fā)光效率將會衰退20%到75%不等，其中又以黃色光衰退75%最為嚴 重。此外，當LED的操作環(huán)境溫度愈高，其產(chǎn)壽命亦愈低(如圖二所示)，當操作溫度由63℃升到74℃時，LED平均壽命將會減少3/4。因此，要提升 LED的發(fā)光效率，LED系統(tǒng)的熱散管理與設計便成為了一重要課題，在了解LED散熱問題之前，必須先了解其散熱途徑，進而針對散熱瓶頸進行改善。

2、LED散熱途徑

　　依據(jù)不同的封裝技術，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：

　　散熱途徑說明：

　　1. 從空氣中散熱

　　2. 熱能直接由System circuit board導出

　　3. 經(jīng)由金線將熱能導出

　　4. 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(Substrate of LED Die)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(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發(fā)光燈具或系統(tǒng)之設計。

　　然而，現(xiàn)階段的整個系統(tǒng)之散熱瓶頸，多數(shù)發(fā)生在將熱量從LED晶粒傳導至其基板再到系統(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晶?；宀牧系臒嵘⒛芰礊橄喈斨匾?a target="_blank">參數(shù)。另一方面，LED所產(chǎn)生的熱亦會經(jīng)由電極金屬導線 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長之幾何形狀而受限(如圖三途徑3所示)；因此，近來即有共晶 (Eutectic) 或覆晶(Flip chip)接合方式，此設計大幅減少導線長度，并大幅增加導線截面積，如此一來，藉由LED電極導線至系統(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，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LED散熱基板做概略說明。

3、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性，將熱源從LED晶粒導出。因此，我們從LED散熱途徑敘述中，可將LED散熱基板細分兩 大類別，分別為(1)LED晶?；迮c(2)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，以達到熱散之效果。

　　3.1 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)展出高熱導系數(shù)鋁基板(MCPCB)，利用金屬材料散熱特性較佳的特色，已達到高功率產(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至系統(tǒng)電路板，異言之，當LED功率往更高效提升時，整個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LED晶粒基板做更深入的探討。

　　3.2 LED晶粒基板

　　LED晶?；逯饕亲鳛長ED 晶粒與系統(tǒng)電路板之間熱能導出的媒介，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散失之效能。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)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體特性，使其現(xiàn)階段遇到較嚴苛的考驗，而陽極化鋁基板則因其陽極化氧 化層強度不足而容易因碎裂導致導通，使其在實際應用上受限，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。以薄膜制程備制之氮化 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)電路板的負擔，進而達到高熱散的效果。

　　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)由電極導線至系統(tǒng)電路板之散熱效率。然而此制程對于基板的布線 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?，F(xiàn)階段多以導入薄膜陶瓷基 板，以解決此問題。薄膜陶瓷基板以黃光微影方式備制電路，輔以電鍍或化學鍍方式增加線路厚度，使得其產(chǎn)品具有高線路精準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，甚而逐漸往可撓曲之軟式電路板開發(fā)。另一方面，LED晶?；逡嘀鸩匠蚪档推錈嶙璺较蚺?，下表一即為目前國內(nèi)常見的系統(tǒng)電路板以及LED晶?；宸N類與主要供應商：

4、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，分別說明如下：

　　4.1 厚膜陶瓷基板

　　厚膜陶瓷基板乃采用網(wǎng)印技術生產(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為網(wǎng)版張網(wǎng)問題，容易產(chǎn)生線路粗糙、對位不精準的現(xiàn)象。因此，對于未來尺寸要求越來越小，線路越來越精細的高功率LED產(chǎn) 品，亦或是要求對位準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。

　　4.2 低溫共燒多層陶瓷

　　低溫共燒多層陶瓷技術，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，最后透過低溫燒結(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)問題造成對位誤差，此外，多層陶瓷疊壓燒結(jié)后，還會考量其收 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位精準的共晶/覆晶LED產(chǎn)品，將更顯嚴苛。

　　4.3 薄膜陶瓷基板

　　為了改善厚膜制程張網(wǎng)問題，以及多層疊壓燒結(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。薄膜散熱基板乃運用濺鍍、電/電化學沉 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，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。

5、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，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，已成為相當重要的一環(huán)，以下表二即為國內(nèi)外主要之 LED產(chǎn)品發(fā)展近況與產(chǎn)品類別作簡單的匯整。

6、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，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)合方式來達到提升LED發(fā)光效率為開發(fā)主流。在此發(fā)展趨勢下，對散熱基板本身的線路對位精確度要求極為嚴苛，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LED不斷往高功率提升的重要觸媒之一。