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PCB大講堂:LED散熱基板的發展趨勢

time : 2019-08-16 09:14       作者:凡億pcb

一、前言
        隨著全球環保意識的抬頭,節能省電已成為當今的趨勢。LED產業是近年來最受矚目的產業的一。發展至今,LED產品已具有節能、省電、高效率、反應時間快、壽命周期長、且不含汞,具有環保效益…等優點。然而通常LED高功率產品輸入功率約為20%能轉換成光,剩下80%的電能均轉換為熱能。
        一般而言,LED發光時所產生的熱能若無法導出,將會使LED結面溫度過高,進而影響產品生命周期、發光效率、穩定性,而LED結面溫度、發光效率及壽命的間的關系,以下將利用關系圖作進一步說明。
        圖一為LED結面溫度與發光效率的關系圖,當結面溫度由25℃上升至100℃時,其發光效率將會衰退20%到75%不等,其中又以黃色光衰退75%最為嚴重。此外,當LED的操作環境溫度愈高,其產品壽命亦愈低(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的發光效率,LED系統的熱散管理與設計便成為了一重要課題,在了解LED散熱問題的前,必須先了解其散熱途徑,進而針對散熱瓶頸進行改善。
LED結面溫度與發光效率的關系圖
 
二、LED散熱途徑
依據不同的封裝技術,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的:
LED散熱途徑示意圖
圖三 LED散熱途徑示意圖。(散熱途徑說明:)
1. 從空氣中散熱
2. 熱能直接由Systemcircuitboard導出
3. 經由金線將熱能導出
4. 若為共晶及Flipchip制程,熱能將經由通孔至系統電路板而導出)
 
        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芯片(chip),而后再將LED芯片固定于系統的電路板上(Systemcircuitboard)。因此,LED可能的散熱途徑為直接從空氣中散熱(如圖三途徑1所示),或經由LED晶粒基板至系統電路板再到大氣環境。而散熱由系統電路板至大氣環境的速率取決于整個發光燈具或系統的設計。
        然而,現階段整個系統的散熱瓶頸,多數發生在將熱量從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:其一為直接藉由晶粒基板散熱至系統電路板(如圖三途徑2所示),在此散熱途徑里,其LED晶粒基板材料的熱散能力即為相當重要的參數。另一方面,LED所產生的熱亦會經由電極金屬導線而至系統電路板,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的幾何形狀而受限(如圖三途徑3所示);因此,近來即有共晶(Eutectic)或覆晶(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電極導線至系統電路板的散熱效率將有效提升(如圖三)途徑4所示)。
經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,后段將針對LED散熱基板做概略說明。
 
三、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晶粒基板與(2)系統電路板,此兩種不同的散熱基板分別承載著LED晶粒與LED芯片將LED晶粒發光時所產生的熱能,經由LED晶粒散熱基板至系統電路板,而后由大氣環境吸收,以達到熱散的效果。
1。 系統電路板
系統電路板主要是作為LED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。近年來印刷電路板(PCB)的生產技術已非常純熟,早期LED產品的系統電路板多以PCB為主,但隨著高功率LED的需求增加,PCB的材料散熱能力有限,使其無法應用于其高功率產品,為了改善高功率LED散熱問題,近期已發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,已達到高功率產品散熱的目的。然而隨著LED亮度與效能要求的持續發展,盡管系統電路板能將LED芯片所產生的熱有效的散熱到大氣環境,但是LED晶粒所產生的熱能卻無法有效的從晶粒傳導至系統電路板,異言的,當LED功率往更高效提升時,整個LED的散熱瓶頸將出現在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。
 
2。 LED晶粒基板
LED晶粒基板主要是作為LED晶粒與系統電路板的間熱能導出的媒介,藉由打線、共晶或覆晶的制程與LED晶粒結合。而基于散熱考慮,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組件,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的效能。因此,近年來,國內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的基板材料,以取代氧化鋁,包含了硅基板、碳化硅基板、陽極化鋁基板或氮化鋁基板,其中硅及碳化硅基板的材料半導體特性,使其現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850℃大氣熱處理,使其出現材料信賴性問題),因此,氮化鋁基板線路需以薄膜制程備制。以薄膜制程備制的氮化鋁基板大幅加速了熱量從LED晶粒經由基板材料至系統電路板的效能,因此大幅降低熱量由LED晶粒經由金屬線至系統電路板的負擔,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,如此一來,大幅增加經由電極導線至系統電路板的散熱效率。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版張網問題及燒結收縮比例問題而不敷使用。現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的發光功率與產品壽命。
 
        近年來,由于鋁基板的開發,使得系統電路板的散熱問題逐漸獲得改善,甚而逐漸往可撓曲的軟式電路板開發。另一方面,LED晶粒基板亦逐步朝向降低其熱阻方向努力,下表一即為目前國內常見的系統電路板以及LED晶粒基板種類與主要供貨商:
表一LED散熱基板種類及其主要供貨商
基板種類 特色 主要供貨商 系統電路板 硬式印刷電路板  ˙ 技術純熟,具有線路 layout 上的優勢
 ˙ 散熱性不佳且尺寸大
 ˙ 僅適合使用于低功率產品 佳總、競國、 雅新 軟式印刷電路板  ˙ 重量輕、可撓性、厚度薄
 ˙ 傳導率約為 2~3W/mK 聚鼎、新揚科 高熱導系數鋁基板  ˙ 將印刷電路板下層改為鋁材料,形成鋁基板
 ˙ 傳導率約為 1~2.2W/mK
 ˙ 適用于高功率 LED 產品 聯茂、聚鼎、佳 總、先豐 DCB  ˙ 熱傳導率高,約 200~800W/mK、導熱性好
 ˙ 制程困難度高,不容易量產 工研院材化所 LED 晶粒基板 陶瓷基板
(Al2O3 / AIN)  ˙ 散熱性佳,熱傳導率約24~170W/mK
 ˙ 厚度薄、尺寸小
 ˙ 使用壽命長、可抗腐蝕、耐高溫、物理特性穩定
 ˙ 適用于高功率 LED 九豪、璦司柏、 同欣、禾伸堂、 鋐鑫 薄膜陶瓷基板  ˙ 最大操作溫度可達 800℃,適合于高操作溫度與 制程溫度的環境
 ˙ 散熱性佳,熱傳導系數約 24~170W/mK 璦司柏、同欣
 
四、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發光效率最主要的課題的一,若依其線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,分別說明如下:
1。 厚膜陶瓷基板
厚膜陶瓷基板乃采用網印技術生產,藉由刮刀將材料印制于基板上,經過干燥、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,網印方式制作的線路因為網版張網問題,容易產生線路粗糙、對位不精準的現象。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產品,亦或是要求對位準確的共晶或覆晶制程生產的LED產品而言,厚膜陶瓷基板的精確度已逐漸不敷使用。
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的金屬線路層亦是利用網印制程制成,同樣有可能因張網問題造成對位誤差,此外,多層陶瓷迭壓燒結后,還會考慮其收縮比例的問題。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產品,將更顯嚴苛。
3。 薄膜陶瓷基板
為了改善厚膜制程張網問題,以及多層迭壓燒結后收縮比例問題,近來發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。而目前國內主要以璦司柏電子與同欣電等公司,具備了專業薄膜陶瓷基板生產能力。
 
五、國際大廠LED產品發展趨勢
目前LED產品發展的趨勢,可從LED各封裝大廠近期所發表的LED產品功率和尺寸觀察得知,高功率、小尺寸的產品為目前LED產業的發展重點,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產品結構上,已成為相當重要的一環,以下表二即為國內外主要的LED產品發展近況與產品類別作簡單的匯整。
表二國內外主要的LED產品發展近況與產品類別
國內外主要的LED產品發展近況與產品類別
 
六、結論
要提升LED發光效率與使用壽命,解決LED產品散熱問題即為現階段最重要的課題的一,LED產業的發展亦是以高功率、高亮度、小尺寸LED產品為其發展重點,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散熱基板發展的趨勢。現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/基板結合方式來達到提升LED發光效率為開發主流。在此發展趨勢下,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,或將成為促進LED不斷往高功率提升的重要觸媒的一。