LED散熱鋁基板發(fā)展趨勢(shì)

目前LED產(chǎn)品發(fā)展的趨勢(shì)，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(guó)內(nèi)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。

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(duì)LED散熱鋁基板做概略說(shuō)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(lèi)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乘載著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(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L(zhǎng)ED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(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(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(wú)法應(yīng)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(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(wú)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(shí)，整個(gè)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(duì)LED晶粒基板做更深入的探討。

LED晶?；?/p>

LED晶?；逯饕亲鳛長(zhǎng)ED 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?；逯饕蕴沾苫鍨橹?，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(diǎn)散失之效能。因此，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大廠無(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(shù)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(dǎo)體特性，使其現(xiàn)階段遇到較嚴(yán)苛的考驗(yàn)，而陽(yáng)極化鋁基板則因其陽(yáng)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(wèn)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(lái)，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(duì)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(wèn)題及燒結(jié)收縮比例問(wèn)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(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(shì)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(tǒng)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?。

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(shuō)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，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(gè)發(fā)光燈具或系統(tǒng)之設(shè)計(jì)。

然而，現(xiàn)階段的整個(gè)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?；迳嶂?系統(tǒng)電路板，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(huì)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(zhǎng)之幾何形狀而受限，因此，近來(lái)即有共晶 (Eutectic) 或覆晶(Flip chip)接合方式，此設(shè)計(jì)大幅減少導(dǎo)線長(zhǎng)度，并大幅增加導(dǎo)線截面積，如此一來(lái)，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。

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(shuō)明如下：

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(jié)、雷射等步驟而成，目前國(guó)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(wèn)題，容易產(chǎn)生線路粗糙、對(duì)位不精準(zhǔn)的現(xiàn)象。因此，對(duì)于未來(lái)尺寸要求越來(lái)越小，線路越來(lái)越精細(xì)的高功率LED產(chǎn) 品，亦或是要求對(duì)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。

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(guò)低溫?zé)Y(jié)而成。而低溫共燒多層陶瓷基板之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(wèn)題造成對(duì)位誤差，此外，多層陶瓷疊壓燒結(jié)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路對(duì)位精準(zhǔn)的共晶/覆晶LED產(chǎn)品，將更顯嚴(yán)苛。

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(jié)后收縮比例問(wèn)題，近來(lái)發(fā)展出薄膜陶瓷基板作為L(zhǎng)ED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(duì)位精確性高的共晶/覆晶封裝制程。

a,采用表面貼裝技術(shù)（SMT）； 　b,在電路設(shè)計(jì)方案中對(duì)熱擴(kuò)散進(jìn)行極為有效的處理；

c,降低產(chǎn)品運(yùn)行溫度，提高產(chǎn)品功率密度和可靠性，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命；

d,縮小產(chǎn)品體積，降低硬件及裝配成本；

e,取代易碎的陶瓷基板，獲得更好的機(jī)械耐久力。

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(xiàn)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(shì)?，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(lái)達(dá)到提升LED發(fā)光效率為開(kāi)發(fā)主流。在此發(fā)展趨勢(shì)下，對(duì)散熱基板本身的線路對(duì)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，將成為促進(jìn)LED不斷往高功率提升的重要觸媒之一。

用途：功率混合IC（HIC）。

1.音頻設(shè)備：輸入、輸出放大器、平衡放大器、音頻放大器、前置放大器、功率放大器等。

2.電源設(shè)備：開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器`DC/AC轉(zhuǎn)換器`SW調(diào)整器等。

3.通訊電子設(shè)備：高頻增幅器`濾波電器`發(fā)報(bào)電路。

4.辦公自動(dòng)化設(shè)備：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。

5.汽車(chē)：電子調(diào)節(jié)器`點(diǎn)火器`電源控制器等。

6.計(jì)算機(jī)：CPU板`軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器`電源裝置等。

7.功率模塊：換流器`固體繼電器`整流電橋等。

8、燈具燈飾：隨著節(jié)能燈的提倡推廣，各種節(jié)能絢麗的LED燈大受市場(chǎng)歡迎，而應(yīng)用于LED燈的鋁基板也開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用。

對(duì)于一般照明而言，人們更需要白色的光源。 1998 年發(fā)白光的 LED 開(kāi)發(fā)成功。這種 LED 是將 GaN 芯片和釔鋁石榴石（ YAG ）封裝在一起做成。 GaN 芯片發(fā)藍(lán)光（ λ p =465nm ， Wd=30nm ），高溫?zé)Y(jié)制成的含 Ce3 的 YAG 熒光粉受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值 550nm 。藍(lán)光 LED 基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有 YAG 的樹(shù)脂薄層，約 200-500nm 。 LED 基片發(fā)出的藍(lán)光部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光。對(duì)于 InGaN/YAG 白色 LED ，通過(guò)改變 YAG 熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫 3500-10000K 的各色白光。

藍(lán)光LED技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一種更為節(jié)能高效的燈光產(chǎn)生方式，同時(shí)也能應(yīng)用到相機(jī)、手機(jī)等科技產(chǎn)品中。用藍(lán)光LED技術(shù)制造的照明設(shè)備，能效更高，大大降低地球能源使用量。根據(jù)已有的數(shù)據(jù)顯示，全世界的25%電力都被用于照明作用，而使用LED燈具之后，用于照明的電力降低到4%，而這無(wú)疑改變了整個(gè)世界。

從1907年LED效應(yīng)發(fā)現(xiàn)到1993中村修二正式發(fā)明LED，再到1999年1W的LED燈正式商業(yè)化使用，LED經(jīng)歷了將近一百年時(shí)間的發(fā)展。在此之前，人們一直使用的是上個(gè)世紀(jì)愛(ài)迪生發(fā)明的白熾燈泡，而白熾燈泡浪費(fèi)了絕大部分能量在發(fā)熱上，大概有九成的電力都被浪費(fèi)。

LED燈具的出現(xiàn)，極大地降低照明所需要的電力，同樣瓦數(shù)的LED燈，所需電力只有白熾燈泡的1/10，同時(shí)LED具有壽命長(zhǎng)、環(huán)保、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，迅速取代白熾燈的位置。2012年，中國(guó)政府宣布，全面禁止銷(xiāo)售和進(jìn)口100瓦以上的普通照明用白熾燈，陪伴老一輩中國(guó)人幾十年的白熾燈即將走到歷史的盡頭。

正如在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)詞中寫(xiě)到的那樣：“白熾燈照亮20世紀(jì)，而LED燈將照亮21世紀(jì)?！?/p>

優(yōu)勢(shì)

1、高效節(jié)能

一千小時(shí)僅耗幾度電（普通60W白熾燈十七小時(shí)耗1度電，普通10W節(jié)能燈一百小時(shí)耗1度電）

2、超長(zhǎng)壽命

半導(dǎo)體芯片發(fā)光，無(wú)燈絲，無(wú)玻璃泡，不怕震動(dòng)，不易破碎，使用壽命可達(dá)五萬(wàn)小時(shí)（普通白熾燈使用壽命僅有一千小時(shí)，普通節(jié)能燈使用壽命也只有八千小時(shí)）

3、健康

光線健康光線中不含紫外線和紅外線，不產(chǎn)生輻射（普通燈光線中含有紫外線和紅外線）

4、綠色環(huán)保：

不含汞和氙等有害元素，利于回收和，而且不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾（普通燈管中含有汞和鉛等元素，節(jié)能燈中的電子鎮(zhèn)流器會(huì)產(chǎn)生電磁干擾）

5、保護(hù)視力

直流驅(qū)動(dòng)，無(wú)頻閃（普通燈都是交流驅(qū)動(dòng)，就必然產(chǎn)生頻閃）

6、光效率高

發(fā)熱小10%的電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光（普通白熾燈95%的電能轉(zhuǎn)化為熱能，僅有5%電能轉(zhuǎn)化為光能）

7、安全系數(shù)高

所需電壓、電流較小，發(fā)熱較小，不產(chǎn)生安全隱患，于礦場(chǎng)等危險(xiǎn)場(chǎng)所

8、市場(chǎng)潛力大

低壓、直流供電，電池、太陽(yáng)能供電，于邊遠(yuǎn)山區(qū)及野外照明等缺電、少電場(chǎng)所。

對(duì)比

1、LED燈在交流電驅(qū)動(dòng)下和普通白熾燈一樣會(huì)有頻閃現(xiàn)象，而普通節(jié)能燈沒(méi)有頻閃現(xiàn)象。頻閃會(huì)使眼睛容易疲勞。

2、每個(gè)LED燈泡的光線過(guò)亮，會(huì)強(qiáng)烈刺激眼睛，不可直視，哪怕短時(shí)間，而普通節(jié)能燈相對(duì)要柔和些！

3、照射角度有限制，一般只能照射120°，而普通節(jié)能燈幾乎可照射360°。

4、照射房間的亮度并不比節(jié)能燈出色，因?yàn)閘ed只在直視的狹小角度內(nèi)有高亮度，而偏離該角度后光線迅速減弱。

因此，LED節(jié)能燈作為室內(nèi)照明燈具的優(yōu)勢(shì)未必比普通節(jié)能燈明顯，但作為電筒、臺(tái)燈、射燈等只需照射狹小角度的燈具使用時(shí)還是非常優(yōu)秀的。

選購(gòu)

1、LED亮度（MCD）不同，價(jià)格不同。用于led燈具的LED應(yīng)符合雷射等級(jí)Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

2、抗靜電能力抗靜電能力強(qiáng)的LED，壽命長(zhǎng)，因而價(jià)格高。通常抗靜電大于700V的LED才能用于LED燈飾。

3、波長(zhǎng)一致的LED，顏色一致，如要求顏色一致，則價(jià)格高。沒(méi)有LED分光分色儀的生產(chǎn)商很難生產(chǎn)色彩純正的產(chǎn)品。

4、漏電電流LED是單向?qū)щ姷陌l(fā)光體，如果有反向電流，則稱為漏電，漏電電流大的LED，壽命短，價(jià)格低。

5、發(fā)光角度用途不同的LED其發(fā)光角度不一樣。特殊的發(fā)光角度，價(jià)格較高。如全漫射角，價(jià)格較高。

6、壽命不同品質(zhì)的關(guān)鍵是壽命，壽命由光衰決定。光衰小、壽命長(zhǎng)，壽命長(zhǎng)，價(jià)格高。

7、晶片LED的發(fā)光體為晶片，不同的晶片，價(jià)格差異很大。日本、美國(guó)的晶片較貴，一般臺(tái)灣及國(guó)產(chǎn)的晶片價(jià)格低于日、美（CREE）。

8、晶片大小晶片的大小以邊長(zhǎng)表示，大晶片LED的品質(zhì)比小晶片的要好。價(jià)格同晶片大小成正比。

9、膠體普通的LED的膠體一般為環(huán)氧樹(shù)脂，加有抗紫外線及防火劑的LED價(jià)格較貴，高品質(zhì)的戶外LED燈飾應(yīng)抗紫外線及防火。每一種產(chǎn)品都會(huì)有不同的設(shè)計(jì)，不同的設(shè)計(jì)適用于不同的用途，LED燈飾的可靠性設(shè)計(jì)方面包含：電氣安全、防火安全、適用環(huán)境安全、機(jī)械安全、健康安全、安全使用時(shí)間等因素。從電氣安全角度看，應(yīng)符合相關(guān)的國(guó)際、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。