LED散熱基板匯總介紹及技術(shù)發(fā)展趨勢分析

　　隨著(zhù)全球環(huán)保的意識抬頭，節能省電已成為當今的趨勢。LED產(chǎn)業(yè)是近年來(lái)最受矚 目的產(chǎn)業(yè)之一。發(fā)展至今，LED產(chǎn)品已具有節能、省電、高效率、反應時(shí)間快、壽命周期長(cháng) 、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%能轉換成 光，剩下80%的電能均轉換為熱能。

　　一般而言，LED發(fā)光時(shí)所產(chǎn)生的熱能若無(wú)法導出，將會(huì )使LED結面溫度過(guò)高，進(jìn)而影 響產(chǎn)品生命周期、發(fā)光效率、穩定性，而LED結面溫度、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(shuō)明。
　　
　　1、LED散熱途徑

　　依據不同的封裝技術(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(shuō)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(xiàn)將熱能導出

　　(4). 若為共晶及Flip chip制程，熱能將經(jīng)由通孔至系統電路板而導出

　　一般而言，LED晶粒（Die）以打金線(xiàn)、共晶或覆晶方式連結于其基板上 （Substrate of LEDDie）而形成一LED晶片（ chip），而后再將LED 晶片固定于系統的電 路板上（System circuitboard）。因此，LED可能的散熱途徑為直接從空氣中散熱，或經(jīng) 由LED　　經(jīng)由以上散熱途徑解釋?zhuān)傻弥?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/散熱基板">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(shuō)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(lèi)別，分別為L(cháng)ED晶 ?；迮c系統電路板，此兩種不同的散熱基板分別乘載著(zhù)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電路板，而后由大氣環(huán)境吸收，以達到熱散 之效果。

　　隨著(zhù)全球環(huán)保的意識抬頭，節能省電已成為當今的趨勢。LED產(chǎn)業(yè)是近年來(lái)最受矚 目的產(chǎn)業(yè)之一。發(fā)展至今，LED產(chǎn)品已具有節能、省電、高效率、反應時(shí)間快、壽命周期長(cháng) 、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%能轉換成 光，剩下80%的電能均轉換為熱能。

　　一般而言，LED發(fā)光時(shí)所產(chǎn)生的熱能若無(wú)法導出，將會(huì )使LED結面溫度過(guò)高，進(jìn)而影 響產(chǎn)品生命周期、發(fā)光效率、穩定性，而LED結面溫度、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(shuō)明。
　　
　　1、LED散熱途徑

　　依據不同的封裝技術(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(shuō)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(xiàn)將熱能導出

　　(4). 若為共晶及Flip chip制程，熱能將經(jīng)由通孔至系統電路板而導出

　　一般而言，LED晶粒（Die）以打金線(xiàn)、共晶或覆晶方式連結于其基板上 （Substrate of LEDDie）而形成一LED晶片（ chip），而后再將LED 晶片固定于系統的電 路板上（System circuitboard）。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電路板再到大氣環(huán)境。而散熱由系統電路板至大氣環(huán)境的速率取決于 整個(gè)發(fā)光燈具或系統之設計。

　　然而，現階段的整個(gè)系統之散熱瓶頸，多數發(fā)生在將熱量從LED晶粒傳導至其基板 再到系統電路板為主。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?。另一方面， LED所產(chǎn)生的熱亦會(huì )經(jīng)由電極金屬導線(xiàn)而至系統電路板，一般而言，利用金線(xiàn)方式做電極接 合下，散熱受金屬線(xiàn)本身較細長(cháng)之幾何形狀而受限；因此，近來(lái)即有共晶（Eutectic） 或 覆晶（Flipchip）接合方式，此設計大幅減少導線(xiàn)長(cháng)度，并大幅增加導線(xiàn)截面積，如此一 來(lái)，藉由LED電極導線(xiàn)至系統電路板之散熱效率將有效提升。

　　經(jīng)由以上散熱途徑解釋?zhuān)傻弥峄宀牧系倪x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(shuō)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(lèi)別，分別為L(cháng)ED晶 ?；迮c系統電路板，此兩種不同的散熱基板分別乘載著(zhù)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電路板，而后由大氣環(huán)境吸收，以達到熱散 之效果。

　　2.1 系統電路板

　　系統電路板主要是作為L(cháng)ED散熱系統中，最后將熱能導至散熱鰭片、外殼或大氣中 的材料。近年來(lái)印刷電路板（PCB）的生產(chǎn)技術(shù)已非常純熟，早期LED產(chǎn)品的系統電路板多 以PCB為主，但隨著(zhù)高功率LED的需求增加，PCB之材料散熱能力有限，使其無(wú)法應用于其高 功率產(chǎn)品，為了改善高功率LED散熱問(wèn)題，近期已發(fā)展出高熱導系數鋁基板（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(zhù)LED亮度與效能 要求的持續發(fā)展，盡管系統電路板能將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(wú)法有效的從晶粒傳導至系統電路板，異言之，當LED功率往更高 效提升時(shí)，整個(gè)LED的散熱瓶頸將出現在LED晶粒散熱基板。

　　2.2 LED晶?；?/P>

　　LED晶?；逯饕亲鳛長(cháng)ED 晶粒與系統電路板之間熱能導出的媒介，藉由打線(xiàn)、 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?；逯饕蕴沾?基板為主，以線(xiàn)路備制方法不同約略可區分為：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(xiàn)方式將LED晶粒與陶瓷基板結合。

　　如前言所述，此金線(xiàn)連結限制了熱量沿電極接點(diǎn)散失之效能。因此，近年來(lái)，國內 外大廠(chǎng)無(wú)不朝向解決此問(wèn)題而努力。其解決方式有二，其一為尋找高散熱系數之基板材料 ，以取代氧化鋁，包含了矽基板、碳化矽基板、陽(yáng)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，使其現階段遇到較嚴苛的考驗，而陽(yáng)極化鋁基板則因其陽(yáng)極 化氧化層強度不足而容易因碎裂導致導通，使其在實(shí)際應用上受限，因而，現階段較成熟 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，使其出現材料信賴(lài)性問(wèn)題），因此 ，氮化鋁基板線(xiàn)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)由基板材料至系統電路 板的效能，因此大幅降低熱量由LED晶粒經(jīng)由金屬線(xiàn)至系統電路板的負擔，進(jìn)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，如此一來(lái) ，大幅增加經(jīng)由電極導線(xiàn)至系統電路板之散熱效率。然而此制程對于基板的布線(xiàn)精確度與 基板線(xiàn)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(wèn)題及燒結收縮比例問(wèn)題而不敷使用?，F階段多以導入薄膜陶瓷基板，以解決此問(wèn)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(xué)鍍方式增加線(xiàn)路厚度，使得其產(chǎn)品 具有高線(xiàn)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(lái)，由于鋁基板的開(kāi)發(fā)，使得系統電路板的散熱問(wèn)題逐漸獲得改善，甚而逐漸 往可撓曲之軟式電路板開(kāi)發(fā)。另一方面，LED晶?；逡嘀鸩匠蚪档推錈嶙璺较蚺?。

　　3、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(xiàn)路制作方法可區分為厚膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷、以及薄膜陶瓷基板三種 ，分別說(shuō)明如下：

　　3.1 厚膜陶瓷基板

　　厚膜陶瓷基板乃采用網(wǎng)印技術(shù)生產(chǎn)，藉由刮刀將材料印制于基板上，經(jīng)過(guò)干燥、燒 結、雷射等步驟而成，目前國內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(xiàn)路因為網(wǎng)版張網(wǎng)問(wèn)題，容易產(chǎn)生線(xiàn)路粗糙、對位不精準的現象。因 此，對于未來(lái)尺寸要求越來(lái)越小，線(xiàn)路越來(lái)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。

　　3.2 低溫共燒多層陶瓷

　　低溫共燒多層陶瓷技術(shù)，以陶瓷作為基板材料，將線(xiàn)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(guò)低溫燒結而成，而其國內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(xiàn)路層亦是利用網(wǎng)印制程制成，同樣有可能因 張網(wǎng)問(wèn)題造成對位誤差，此外，多層陶瓷疊壓燒結后，還會(huì )考量其收縮比例的問(wèn)題。因此 ，若將低溫共燒多層陶瓷使用于要求線(xiàn)路對位精準的共晶/覆晶LED產(chǎn)品，將更顯嚴苛。

　　3.3 薄膜陶瓷基板

　　為了改善厚膜制程張網(wǎng)問(wèn)題，以及多層疊壓燒結后收縮比例問(wèn)題，近來(lái)發(fā)展出薄膜 陶瓷基板作為L(cháng)ED晶粒的散熱基板。薄膜散熱基板乃運用濺鍍、電/電化學(xué)沉積、以及黃光 微影制程制作而成，具備：

　?。?）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；

　?。?）使用黃光微影制程，讓基板上的線(xiàn)路 更加精確；

　?。?）金屬線(xiàn)路不易脫落…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,以及要求對位精確性高的共晶/覆晶封裝制程。而目前國內主要以璦司柏 電子與同欣電等公司，具備了專(zhuān)業(yè)薄膜陶瓷基板生產(chǎn)能力。

　　4、國際大廠(chǎng)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(chǎng)近期所發(fā)表的LED產(chǎn)品功率和尺寸觀(guān) 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(diǎn)，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)品結構上，已成為相 當重要的一環(huán)，以下表二即為國內外主要之LED產(chǎn)品發(fā)展近況與產(chǎn)品類(lèi)別作簡(jiǎn)單的匯整。

　　5、結論

　　要提升LED發(fā)光效率與使用壽命，解決LED產(chǎn)品散熱問(wèn)題即為現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(diǎn)，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(lái)在LED散熱基板發(fā)展的趨勢?，F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(xiàn)的晶粒/基板結合方式來(lái)達到 提升LED發(fā)光效率為開(kāi)發(fā)主流。在此發(fā)展趨勢下，對散熱基板本身的線(xiàn)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(xiàn)路附著(zhù)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(jìn)LED不斷往高功率提升的重要觸媒之一。