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PCB大講堂:LED散熱基板的發(fā)展趨勢

發(fā)布時間 :2017-02-18 10:41 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB制板部
一、前言
        隨著全球環(huán)保意識的抬頭,節(jié)能省電已成為當(dāng)今的趨勢。LED產(chǎn)業(yè)是近年來最受矚目的產(chǎn)業(yè)的一。發(fā)展至今,LED產(chǎn)品已具有節(jié)能、省電、高效率、反應(yīng)時間快、壽命周期長、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(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(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)光效率及壽命的間的關(guān)系,以下將利用關(guān)系圖作進(jìn)一步說明。
        圖一為LED結(jié)面溫度與發(fā)光效率的關(guān)系圖,當(dāng)結(jié)面溫度由25℃上升至100℃時,其發(fā)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(yán)重。此外,當(dāng)LED的操作環(huán)境溫度愈高,其產(chǎn)品壽命亦愈低(如圖二所示),當(dāng)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(fā)光效率,LED系統(tǒng)的熱散管理與設(shè)計(jì)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(jìn)而針對散熱瓶頸進(jìn)行改善。
LED結(jié)面溫度與發(fā)光效率的關(guān)系圖
 
二、LED散熱途徑
依據(jù)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(dǎo)出
3. 經(jīng)由金線將熱能導(dǎo)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(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(SubstrateofLEDDie)而形成一LED芯片(chip),而后再將LED芯片固定于系統(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(如圖三途徑1所示),或經(jīng)由LED晶?;逯料到y(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)的設(shè)計(jì)。
        然而,現(xiàn)階段整個系統(tǒng)的散熱瓶頸,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?;迳嶂料到y(tǒng)電路板(如圖三途徑2所示),在此散熱途徑里,其LED晶?;宀牧系臒嵘⒛芰礊橄喈?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(shè)計(jì)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)電路板的散熱效率將有效提升(如圖三)途徑4所示)。
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。
 
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(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?;迮c(2)系統(tǒng)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(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)到熱散的效果。
1. 系統(tǒng)電路板
系統(tǒng)電路板主要是作為LED散熱系統(tǒng)中,最后將熱能導(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的材料散熱能力有限,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芯片所產(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,異言的,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?;遄龈钊氲奶接憽?br />  
2. LED晶?;?/span>
LED晶?;逯饕亲鳛長ED晶粒與系統(tǒng)電路板的間熱能導(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(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(jié)合。如前言所述,此金線連結(jié)限制了熱量沿電極接點(diǎn)散失的效能。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)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(dǎo)體特性,使其現(xiàn)階段遇到較嚴(yán)苛的考驗(yàn),而陽極化鋁基板則因其陽極化氧化層強(qiáng)度不足而容易因碎裂導(dǎo)致導(dǎo)通,使其在實(shí)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。以薄膜制程備制的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(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?,F(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,甚而逐漸往可撓曲的軟式電路板開發(fā)。另一方面,LED晶?;逡嘀鸩匠蚪档推錈嶙璺较蚺Γ卤硪患礊槟壳皣鴥?nèi)常見的系統(tǒng)電路板以及LED晶?;宸N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(tǒng)電路板 硬式印刷電路板  ˙ 技術(shù)純熟,具有線路 layout 上的優(yōu)勢
 ˙ 散熱性不佳且尺寸大
 ˙ 僅適合使用于低功率產(chǎn)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(dǎo)率約為 2~3W/mK
聚鼎、新?lián)P科
高熱導(dǎo)系數(shù)鋁基板  ˙ 將印刷電路板下層改為鋁材料,形成鋁基板
 ˙ 傳導(dǎo)率約為 1~2.2W/mK
 ˙ 適用于高功率 LED 產(chǎn)品
聯(lián)茂、聚鼎、佳 總、先豐
DCB  ˙ 熱傳導(dǎo)率高,約 200~800W/mK、導(dǎo)熱性好
 ˙ 制程困難度高,不容易量產(chǎn)
工研院材化所
LED 晶?;?/td> 陶瓷基板
(Al2O3 / AIN)
 ˙ 散熱性佳,熱傳導(dǎo)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(wěn)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(dá) 800℃,適合于高操作溫度與 制程溫度的環(huán)境
 ˙ 散熱性佳,熱傳導(dǎo)系數(shù)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(fā)光效率最主要的課題的一,若依其線路制作方法可區(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,分別說明如下:
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)過干燥、燒結(jié)、雷射等步驟而成,目前國內(nèi)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)印方式制作的線路因?yàn)榫W(wǎng)版張網(wǎng)問題,容易產(chǎn)生線路粗糙、對位不精準(zhǔn)的現(xiàn)象。因此,對于未來尺寸要求越來越小,線路越來越精細(xì)的高功率LED產(chǎn)品,亦或是要求對位準(zhǔn)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。
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,最后透過低溫?zé)Y(jié)而成,而其國內(nèi)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(wǎng)印制程制成,同樣有可能因張網(wǎng)問題造成對位誤差,此外,多層陶瓷迭壓燒結(jié)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(zhǔn)的共晶/覆晶LED產(chǎn)品,將更顯嚴(yán)苛。
3. 薄膜陶瓷基板
為了改善厚膜制程張網(wǎng)問題,以及多層迭壓燒結(jié)后收縮比例問題,近來發(fā)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(yùn)用濺鍍、電/電化學(xué)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(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(nèi)主要以璦司柏電子與同欣電等公司,具備了專業(yè)薄膜陶瓷基板生產(chǎn)能力。
 
五、國際大廠LED產(chǎn)品發(fā)展趨勢
目前LED產(chǎn)品發(fā)展的趨勢,可從LED各封裝大廠近期所發(fā)表的LED產(chǎn)品功率和尺寸觀察得知,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(jié)構(gòu)上,已成為相當(dāng)重要的一環(huán),以下表二即為國內(nèi)外主要的LED產(chǎn)品發(fā)展近況與產(chǎn)品類別作簡單的匯整。
表二國內(nèi)外主要的LED產(chǎn)品發(fā)展近況與產(chǎn)品類別
國內(nèi)外主要的LED產(chǎn)品發(fā)展近況與產(chǎn)品類別
 
六、結(jié)論
要提升LED發(fā)光效率與使用壽命,解決LED產(chǎn)品散熱問題即為現(xiàn)階段最重要的課題的一,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,也成為未來在LED散熱基板發(fā)展的趨勢?,F(xiàn)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(jié)合方式來達(dá)到提升LED發(fā)光效率為開發(fā)主流。在此發(fā)展趨勢下,對散熱基板本身的線路對位精確度要求極為嚴(yán)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?qū)⒊蔀榇龠M(jìn)LED不斷往高功率提升的重要觸媒的一。


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