LED高功率設計中散熱問(wèn)題分析

隨著(zhù)LED照明的需求日趨迫切，高功率LED的散熱問(wèn)題益發(fā)受到重視，因為過(guò)高的溫度會(huì )導致LED發(fā)光效率衰減；LED運作所產(chǎn)生的廢熱若無(wú)法有效散出，則會(huì )直接對LED的壽命造成致命性的影響，因此，近年來(lái)高功率LED散熱問(wèn)題的解決成為許多相關(guān)業(yè)者的研發(fā)標的。

對于大功率照明LED散熱技術(shù)，各家公司可說(shuō)是各顯神通，例如臺灣的光?？萍急惆l(fā)展出‘COHS封裝散熱技術(shù)',光?？萍际抢帽旧磔d板設計能力的優(yōu)勢，將LED直接封裝在高導熱性的銅基座上，銅的高導熱性就如同散熱器的角色，再加上以電路設計及自有工藝克服絕緣膜與銅材質(zhì)間的附著(zhù)性問(wèn)題，便發(fā)展出所謂的COHS技術(shù)（ChipsOn Heat Sink），并已擁有47項COHS相關(guān)專(zhuān)利。

COHS散熱技術(shù)前景可期

光?？萍急硎?，該公司的'COHS散熱技術(shù)’有別于傳統COB封裝方式，省去了芯片與基座間不必要的熱阻材，且采用比鋁的導熱性更佳的銅做為基板，而針對60W以上的燈芯模塊，更加入了均溫板的概念，能將熱能更快速地傳導開(kāi)來(lái)。整體而言，此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括模塊熱阻低、容易控制結面溫度、可提供量測結面溫度的測試點(diǎn)、具低成本包裝的結構、安裝簡(jiǎn)易、散熱效果佳等等。目前光?？萍嫉漠a(chǎn)品已實(shí)際應用在山東省慶云縣的LED路燈工程、北京市大興區LED路燈工程及各式室內、室外照明等。

在日前于韓國產(chǎn)業(yè)技術(shù)大學(xué)中舉辦的新產(chǎn)品測試中，光?？萍?20瓦（W）模塊的電極溫度約為攝氏70度，其他公司60瓦等級模塊的電極溫度卻高達攝氏150度，后者的功率未及光海產(chǎn)品一半，電極溫度卻高出許多，足見(jiàn)光海散熱技術(shù)的優(yōu)勢。據了解，為求進(jìn)軍韓國市場(chǎng)，光?？萍紝⑼顿Y1,000萬(wàn)美元于南韓京畿道建設產(chǎn)線(xiàn)。

COHS散熱技術(shù)是采用銅基板，目前另一頗受注目的散熱技術(shù)則是采用陶瓷基板，由陶瓷基板的成本頗具競爭力，且具有與半導體有接近的熱膨脹系數與高耐熱能力，能有效地解決熱歪斜及高溫工藝問(wèn)題，因此?，F階段許多公司紛紛投入陶瓷基板技術(shù)的研發(fā)，例如同欣電子。

陶瓷基板散熱

同欣電子總經(jīng)理劉煥林便表示，LED陶瓷基板將是同欣電子未來(lái)的主要成長(cháng)動(dòng)能。該公司的產(chǎn)品為DPC陶瓷基板?，F階段較普遍的陶瓷散熱基板種類(lèi)共有HTCC、LTCC、DBC、DPC四種，其中，DPC（DirectPlateCopper）是將陶瓷基板利用真空濺鍍鍍上銅層，再利用顯影工藝制造線(xiàn)路，其工藝結合材料與薄膜工藝技術(shù)，為近年最普遍使用的陶瓷散熱基板。

基本上，LED散熱基板主要分為金屬與陶瓷基板。金屬基板以鋁或銅為材料，由于技術(shù)成熟，且具成本優(yōu)勢，目前為一般LED產(chǎn)品所采用。而陶瓷基板線(xiàn)路對位精確度高，為業(yè)界公認導熱與散熱性能極佳材料，是目前高功率LED散熱最適方案，雖然成本比金屬基板來(lái)得高，但照明要求的散熱性及穩定性高于筆記本電腦、電視等電子產(chǎn)品，因此，包括Cree、歐司朗、飛利浦及日亞化等國際大廠(chǎng)，都使用陶瓷基板作為L(cháng)ED晶粒散熱材質(zhì)。

比較各種陶瓷散熱技術(shù)，其中，HTCC（高溫共燒多層陶瓷基板）屬于較早期發(fā)展之技術(shù)，但由于其較高的工藝溫度（1300到1600℃），使其電極材料的選擇受限，且制作成本相當昂貴，目前漸漸被LTCC取代。此外，DPC陶瓷基板導熱效果又優(yōu)于低溫陶瓷共燒（LTCC）與散熱鋁基板，因此DPC陶瓷基板散熱技術(shù)近年頗受看好，同欣電子表示，該公司目前陶瓷基板仍供不應求，產(chǎn)能方面鶯歌廠(chǎng)月產(chǎn)能30萬(wàn)片（每片為4寸×4寸，每片顆數為440到890顆（視設計而定），菲律賓廠(chǎng)月產(chǎn)能10萬(wàn)片，近期將有5萬(wàn)片新產(chǎn)能加入，整體而言，由于LED取代傳統照明為未來(lái)趨勢，因此同欣電子將長(cháng)期獲益自此一應用。

被動(dòng)組件業(yè)者順勢跨入

看好陶瓷基板在LED散熱的應用，大毅除被動(dòng)組件與保護組件的制造外，于2010年更進(jìn)一步投入LED散熱基板市場(chǎng)；制造高功率LED散熱基板，該公司是利用目前既有的專(zhuān)業(yè)保護組件黃光微影薄膜工藝以及精密電鑄技術(shù)能力，加上由該公司自行研發(fā)的雷射切割鑿孔設備，導入氧化鋁以及氮化鋁作為散熱基板材料，納入生產(chǎn)工藝開(kāi)始進(jìn)行量產(chǎn)，可滿(mǎn)足LED產(chǎn)品封裝的設計與散熱需求。

大毅科技董事長(cháng)江財寶表示，由于LED陶瓷散熱基板的工藝與大毅現有的保護組件產(chǎn)品工藝相仿，并且在材料與設備上更是有許多相同之處，因此能利用原本保護組件使用的陶瓷基板工藝共通性，制造出高功率LED散熱用陶瓷基板產(chǎn)品。他并指出，大毅科技推出的高功率散熱基板已送各LED封裝大廠(chǎng)認證，且將積極針對LED散熱基板產(chǎn)品進(jìn)行三大領(lǐng)域布局，一為晶粒封裝市場(chǎng)，鎖定億光等LED封裝大廠(chǎng)客戶(hù)；其次為L(cháng)ED照明基板，第三為L(cháng)ED背光源基板。目前大毅在前兩項領(lǐng)域已開(kāi)始小量出貨。

同樣是從保護組件跨入LED散熱基板的業(yè)者還有璦司柏電子，該公司總經(jīng)理莊弘毅表示，璦司柏電子是由保護組件起家，成立于2009年6月，目前營(yíng)運項目以精密陶瓷之線(xiàn)路設計為主、而主要工藝有薄膜散熱基板、黃光微影等技術(shù)等。莊弘毅表示，海內外大廠(chǎng)為節省LED組件空間并兼顧線(xiàn)路保護的功能，多希望將保護組件直接建立陶瓷基板中，而不需要再額外添加保護組件，如防靜電的二極管，而璦司柏目前所研發(fā)的新產(chǎn)品，便是在線(xiàn)路設計時(shí)將保護組件放入，如此就不需額外置入，可大幅節省成本，且此種技術(shù)可將體積縮小，減少20%~30%的空間。此外，璦司柏自行開(kāi)發(fā)的多層導通孔結構增加了熱傳導的路徑，可降低LED晶粒與陶瓷散熱基板的熱阻，更能有效提升LED發(fā)光效率。

莊弘毅進(jìn)一步表示，璦司柏電子研發(fā)團隊累積十年年的薄膜組件開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，在去年已完成第三代薄膜專(zhuān)業(yè)代工的生產(chǎn)線(xiàn)，主推薄膜陶瓷基板作為L(cháng)ED晶粒的散熱基板，可改善厚膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷對位的精準度等問(wèn)題。整體而言，薄膜散熱基板運用濺鍍、電/電化學(xué)沉積，以及黃光微影工藝制作而成，具備以下特點(diǎn)：低溫工藝（300℃以下），避免高溫材料破壞或尺寸變異的可能性；使用黃光微影工藝，讓基板上的線(xiàn)路更加精確；金屬線(xiàn)不易脫落等特點(diǎn)，因此薄膜陶瓷基板適用于高功率、小尺寸、高亮度的LED。

除上述大毅及璦司柏外，禾伸堂亦是從被動(dòng)組件跨入LED陶瓷基板領(lǐng)域，該公司董事長(cháng)唐錦榮表示，禾伸堂的陶瓷散熱基板主要應用于高瓦數LED照明以及太陽(yáng)能等領(lǐng)域，唐錦榮分析，因陶瓷與LED對熱的膨脹幅度相同，陶瓷基板未來(lái)將廣泛應用在LED散熱，出貨量可望有大幅成長(cháng)。

據了解，禾伸堂因為擁有陶瓷及粉末技術(shù)的研發(fā)設備與工藝，因此在2003年跨入LED散熱基板，主要使用「薄膜陶瓷基板」技術(shù)，不過(guò)由于LED散熱基板通過(guò)國際大廠(chǎng)認證時(shí)間長(cháng)，直到近期才有明顯收獲，目前LED散熱基板月產(chǎn)能10萬(wàn)片，可貢獻一年營(yíng)收7到8億元，未來(lái)會(huì )再發(fā)展至月產(chǎn)30萬(wàn)片。

LED照明模塊整體散熱

除了利用基板新技術(shù)強化散熱效果外，LED照明模塊的整體散熱機能亦是另一重點(diǎn)。在此領(lǐng)域，建準電機已于今年推出LED燈具節能散熱模塊。建準電機三十年來(lái)專(zhuān)注馬達核心技術(shù)，以自有專(zhuān)利技術(shù)深耕散熱風(fēng)扇、散熱模塊，并提供有關(guān)散熱領(lǐng)域之有效整合解決方案。該公司表示，以節能減碳為產(chǎn)品設計重點(diǎn)的LED燈具節能散熱模塊，具有三大創(chuàng )新設計，即風(fēng)扇雙向運轉的自動(dòng)除塵設計、可防止熱空氣回流之專(zhuān)利阻隔環(huán)設計以及靜音低于20Phon的寧靜散熱，為L(cháng)ED照明產(chǎn)業(yè)提供極佳的散熱管理方案。該公司今年推出全新「One-module」概念的LED燈具散熱模塊，是將LED散熱模塊簡(jiǎn)化為標準品，一款散熱模塊可應用于多款LED燈具，可簡(jiǎn)化客戶(hù)端的設計流程，并彈性應用于LED球燈、筒燈、MR16投射燈、LED路燈等各式LED燈具；目前此散熱模塊已出貨至歐洲LED知名大廠(chǎng)。

同樣看好LED照明市場(chǎng)，超眾也是積極在LED燈具散熱模塊領(lǐng)域布局，該公司表示，LED路燈散熱模塊在去年出貨2萬(wàn)盞，今年出貨量維持水平，明年市場(chǎng)則頗為看好。超眾總經(jīng)理吳惠然指出，現階段業(yè)界傳出LED路燈故障，多因散熱問(wèn)題無(wú)法解決，事實(shí)上散熱模塊是由金屬結構所組成，其材質(zhì)皆為銅鋁等五金件，并透過(guò)本身之熱傳導設計與散熱原理，將熱能排放至環(huán)境中，進(jìn)而達成熱平衡，無(wú)需再藉助其它額外動(dòng)力即可發(fā)揮散熱功效，所以當LED散熱模塊通過(guò)測試之后，即不容易再有問(wèn)題發(fā)生。他并認為隨著(zhù)LED售價(jià)日趨降低，勢必將于未來(lái)取代傳統照明燈具，LED散熱模塊也將日趨重要，超眾將持續經(jīng)營(yíng)此市場(chǎng)區隔。

導熱化學(xué)材料

如上所述，LED朝著(zhù)高功率發(fā)展已是必然的趨勢，導熱、散熱相關(guān)問(wèn)題的解決也就勢在必行，解決此類(lèi)問(wèn)題的途徑相當多元，除前面所列舉的方式外，冠品化學(xué)則是以化學(xué)品角度切入