LED散熱基板與技術的那些事兒

經(jīng)過各種環(huán)境問題的摧殘，節(jié)能環(huán)保逐漸的深入人們的意識中，現(xiàn)在節(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。 　　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示意之： 　　散熱途徑說明： 　　(1).從空氣中散熱 　　(2).熱能直接由Systemcircuitboard導出 　　(3).經(jīng)由金線將熱能導出 　　(4).若為共晶及Flipchip制程，熱能將經(jīng)由通孔至系統(tǒng)電路板而導出 　　一般而言，LED晶粒(Die)以打金線、共晶或覆晶方式連結于其基板上(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：其一為直接藉由晶粒基板散熱至系統(tǒng)電路板，在此散熱途徑里，其LED晶?；宀牧系臒嵘⒛芰礊橄喈斨匾膮?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；因此，近來即有共晶(Eutectic)或覆晶(Flipchip)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。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。 　　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LED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。 　　系統(tǒng)電路板 　　由于近年來印刷電路板的生產(chǎn)技術已非常純熟，隨著早期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。 　　LED晶?；? 　　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晶粒與陶瓷基板結合。如前言所述，此金線連結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。