一般而言，LED發(fā)光時所產(chǎn)生的熱能若無法導(dǎo)出，將會使LED結(jié)面溫度過高，進(jìn)而影響產(chǎn)品生命周期、發(fā)光效率、穩(wěn)定性，而LED結(jié)面溫度、發(fā)光效率及壽命之間的關(guān)系，因此，要提升 LED的發(fā)光效率，LED系統(tǒng)的熱散管理與設(shè)計便成為了一重要課題，在了解LED散熱問題之前，必須先了解其散熱途徑，進(jìn)而針對散熱瓶頸進(jìn)行改善。
依據(jù)不同的封裝技術(shù)，其散熱方法亦有所不同：
散熱途徑說明：
1. 從空氣中散熱
2. 熱能直接由System circuit board導(dǎo)出
3. 經(jīng)由金線將熱能導(dǎo)出
4. 若為共晶及Flip chip制程，熱能將經(jīng)由通孔至系統(tǒng)電路板而導(dǎo)出)
一般而言，LED晶粒(Die)以打金線、共晶或覆晶方式連結(jié)于其基板上(Substrate of LED Die)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(System circuit board)。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(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(shè)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(dǎo)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(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(dāng)重要的參數(shù)。另一方面，LED所產(chǎn)生的熱亦會經(jīng)由電極金屬導(dǎo)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(xì)長之幾何形狀而受限，因此，近來即有共晶 (Eutectic) 或覆晶(Flip chip)接合方式，此設(shè)計大幅減少導(dǎo)線長度，并大幅增加導(dǎo)線截面積，如此一來，藉由LED電極導(dǎo)線至系統(tǒng)電路板之散熱效率將有效提升。
類： 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散熱鋁基板做概略說明。
LED散熱鋁基板
LED散熱鋁基板主要是利用其散熱基板材料本身具有較佳的熱傳導(dǎo)性，將熱源從LED晶粒導(dǎo)出。因此，我們從LED散熱途徑敘述中，可將LED散熱基板細(xì)分兩 大類別，分別為(1)LED晶粒基板與(2)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(dá)到熱散之效果。
系統(tǒng)電路板
系統(tǒng)電路板主要是作為LED散熱系統(tǒng)中，*后將熱能導(dǎo)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(chǎn)技術(shù)已非常純熟，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(yīng)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(dǎo)系數(shù)鋁基板(MCPCB)，利用金屬材料散熱特性較佳的特色，已達(dá)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(dǎo)至系統(tǒng)電路板，異言之，當(dāng)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，下段文章將針對LED晶粒基板做更深入的探討。
LED晶粒基板
LED晶粒基板主要是作為LED 晶粒與系統(tǒng)電路板之間熱能導(dǎo)出的媒介，藉由打線、共晶或覆晶的制程與LED 晶粒結(jié)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(jié)合。如前言所述，此金線連結(jié) 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(dǎo)體特性，使其現(xiàn)階段遇到較嚴(yán)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(dǎo)致導(dǎo)通，使其在實際應(yīng)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。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(tǒng)電路板的效能，因此大幅降低熱量由LED晶粒經(jīng)由金屬線至系統(tǒng)電路板的負(fù)擔(dān)，進(jìn)而達(dá)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(jié)，如此一來，大幅增加經(jīng)由電極導(dǎo)線至系統(tǒng)電路板之散熱效率。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(zhǔn)度受制程網(wǎng)版張網(wǎng)問題及燒結(jié)收縮比例問題而不敷使用。現(xiàn)階段多以導(dǎo)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(xué)鍍方式增加線路厚度，使得其產(chǎn)品具有高線路精準(zhǔn)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，由于鋁基板的開發(fā)，使得系統(tǒng)電路板的散熱問題逐漸獲得改善，甚而逐漸往可撓曲之軟式電路板開發(fā)。另一方面，LED晶粒基板亦逐步朝向降低其熱阻方向努力。 |
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