探析LED散热基板及技术发展趋势

随着全球环保的意识抬头,节能省电已成为当今的趋势。LED产业是近年来最受瞩目的产业之一。发展至今,LED产品已具有节能、省电、高效率、反应时间快、寿命周期长、且不含汞,具有环保效益;等优点。然而通常LED高功率产品输入功率约为20%能转换成光,剩下80%的电能均转换为热能。

一般而言,LED发光时所产生的热能若无法导出,将会使LED结面温度过高,进而影响产品生命周期、发光效率、稳定性,而LED结面温度、发光效率及寿命之间的关系,以下将利用关系图作进一步说明。

1、LED散热途径

依据不同的封装技术,其散热方法亦有所不同,而LED各种散热途径方法约略可以下示意之:

散热途径说明:

(1).从空气中散热

(2).热能直接由Systemcircuitboard导出

(3).经由金线将热能导出

(4).若为共晶及Flipchip制程,热能将经由通孔至系统电路板而导出

一般而言,LED晶粒(Die)以打金线、共晶或覆晶方式连结于其基板上(SubstrateofLEDDie)而形成一LED晶片(chip),而后再将LED晶片固定于系统的电路板上(Systemcircuitboard)。因此,LED可能的散热途径为直接从空气中散热,或经由LED晶粒基板至系统电路板再到大气环境。而散热由系统电路板至大气环境的速率取决于整个发光灯具或系统之设计。

然而,现阶段的整个系统之散热瓶颈,多数发生在将热量从LED晶粒传导至其基板再到系统电路板为主。此部分的可能散热途径:其一为直接藉由晶粒基板散热至系统电路板,在此散热途径里,其LED晶粒基板材料的热散能力即为相当重要的参数。另一方面,LED所产生的热亦会经由电极金属导线而至系统电路板,一般而言,利用金线方式做电极接合下,散热受金属线本身较细长之几何形状而受限;因此,近来即有共晶(Eutectic)或覆晶(Flipchip)接合方式,此设计大幅减少导线长度,并大幅增加导线截面积,如此一来,藉由LED电极导线至系统电路板之散热效率将有效提升。

经由以上散热途径解释,可得知散热基板材料的选择与其LED晶粒的封装方式于LED热散管理上占了极重要的一环,后段将针对LED散热基板做概略说明。

2、LED散热基板

LED散热基板主要是利用其散热基板材料本身具有较佳的热传导性,将热源从LED晶粒导出。因此,我们从LED散热途径叙述中,可将LED散热基板细分两大类别,分别为LED晶粒基板与系统电路板,此两种不同的散热基板分别乘载着LED晶粒与LED晶片将LED晶粒发光时所产生的热能,经由LED晶粒散热基板至系统电路板,而后由大气环境吸收,以达到热散之效果。

2.1系统电路板

系统电路板主要是作为LED散热系统中,最后将热能导至散热鳍片、外壳或大气中的材料。

近年来印刷电路板(PCB)的生产技术已非常纯熟,早期LED产品的系统电路板多以PCB为主,但随着高功率LED的需求增加,PCB之材料散热能力有限,使其无法应用于其高功率产品,为了改善高功率LED散热问题,近期已发展出高热导系数铝基板(MCPCB),利用金属材料散热特性较佳的特色,已达到高功率产品散热的目的。然而随着LED亮度与效能要求的持续发展,尽管系统电路板能将LED晶片所产生的热有效的散热到大气环境,但是LED晶粒所产生的热能却无法有效的从晶粒传导至系统电路板,异言之,当LED功率往更高效提升时,整个LED的散热瓶颈将出现在LED晶粒散热基板。

2.2LED晶粒基板

LED晶粒基板主要是作为LED晶粒与系统电路板之间热能导出的媒介,藉由打线、共晶或覆晶的制程与LED晶粒结合。而基于散热考量,目前市面上LED晶粒基板主要以陶瓷基板为主,以线路备制方法不同约略可区分为:厚膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷、以及薄膜陶瓷基板三种,在传统高功率LED元件,多以厚膜或低温共烧陶瓷基板作为晶粒散热基板,再以打金线方式将LED晶粒与陶瓷基板结合。

如前言所述,此金线连结限制了热量沿电极接点散失之效能。因此,近年来,国内外大厂无不朝向解决此问题而努力。其解决方式有二,其一为寻找高散热系数之基板材料,以取代氧化铝,包含了矽基板、碳化矽基板、阳极化铝基板或氮化铝基板,其中矽及碳化矽基板之材料半导体特性,使其现阶段遇到较严苛的考验,而阳极化铝基板则因其阳极化氧化层强度不足而容易因碎裂导致导通,使其在实际应用上受限,因而,现阶段较成熟且普通接受度较高的即为以氮化铝作为散热基板;然而,目前受限于氮化铝基板不适用传统厚膜制程(材料在银胶印刷后须经850℃大气热处理,使其出现材料信赖性问题),因此,氮化铝基板线路需以薄膜制程备制。

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