LED產品具有節能、省電、高效率、反應時間快、壽命週期長、且不含汞具環保等優點,因此應用廣泛,包括LCD背光、手機背光、號誌燈、汽車、藝術照明、建築物照明、及舞台燈光控制、家庭照明等,但以LED輸入功率約只有15~20%電能轉換成光,近80~85%的電能轉換為熱能,LED發光時所產生的熱能若無法導出,會使LED界面溫度過高,影響發光效率、穩定性與使用壽命,溫度愈高其使用壽命愈低。
當結面溫度由25℃上昇至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,其產壽命亦愈低,欲降低LED界面溫度,需要從LED封裝製程著手,以降低LED模組的熱抗阻,其中最重要就是散熱基板材料選用與介電層(絕緣層)之熱傳導改善。
LED封裝過程將單顆或多顆LED晶片透過焊料或黏結劑貼到散熱的金屬板上,並在晶片上方塗佈透明的環氧樹脂封裝材料,再覆蓋一個透鏡,組裝成LED燈源,應用在照明、指示燈或背光源,依應用不同將多各LED組裝在同一電路板上,因此電路板不僅作為承載,也需扮演散熱角色。一般銅箔PCB無法應付散熱需求,因此需要將印刷電路板貼附在一片金屬板上(以鋁為主),或者將鋁基板表面直接作絕緣層或稱介電層,然後在介電層表面作電路層,LED模組可以直接打線接合(Wire Bonding)電路層上。
依據封裝技術,分成下列散熱方式:
1. 從空氣中散熱
2. 熱能直接由系統電路板導出
3. 經由金線將熱能導出
4. 若為共晶及覆晶(Flip chip)製程,熱能將經由通孔至系統電路板而導出
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,從LED散熱途徑將LED散熱基板細分兩大類別,分別為系統電路板與LED晶粒基板。
1.系統電路板
系統電路板主要是作為LED散熱系統中,最後將熱能導至散熱鰭片、外殼或大氣中的材料。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之材料散熱能力有限,使其無法應用於其高功率產品,為了改善高功率LED散熱問題,已發展出高熱導係數鋁基板(MCPCB),利用金屬材料散熱特性較佳的特色,達到散熱目的。系統電路板能將LED 晶片所產生的熱有效的散熱到大氣環境中,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,當LED功率更高效提昇時,LED的散熱問題將出現在LED晶粒散熱基板上。
2.LED晶粒基板
LED晶粒基板主要是作為LED 晶粒與系統電路板之間熱能導出的媒介,藉由打線、共晶或覆晶的製程與LED 晶粒結合。為了散熱考量,市面上LED晶粒基板主要以陶瓷基板為主,以線路備製方法不同可區分為: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,再以打金線方式將LED晶粒與陶瓷基板結合,但金線連結限制了熱量沿電極接點散失之效能。
另一種方式則是尋找高散熱係數之基板材料,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體特性,使其現階段發展較嚴苛,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,所以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,以薄膜製程備製之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,因此降低熱量由LED晶粒經由金屬線至系統電路板的負擔,達到高熱散的效果。
另一種解決熱散方案則將LED晶粒與其基板以共晶或覆晶的方式連結,可大幅增加經由電極導線至系統電路板之散熱效率。但此製程對於基板的佈線精確度與基板線路表面平整度要求極高,使厚膜及低溫共燒陶瓷基板的精準度受製程網版張網問題及燒結收縮比例問題還無法使用,現階段多以導入薄膜陶瓷基板,以解決此問題,共晶/覆晶製程輔以薄膜陶瓷散熱基板將可大幅提昇LED的發光功率與產品壽命。
◎LED散熱基板特性
◎LED散熱元件