高功率LED的散熱設(shè)計(jì)與應(yīng)用趨勢分析

　　高功率LED元件 改善散熱的處理手段

　　檢視目前的LED散熱改善手段的處理技術(shù)瓶頸,其實(shí)LED晶粒外部的光學(xué)材料所能改善的熱交換效率有限,這是礙于勿理性的限制,改善幅度相當(dāng)有限,反而是作為基板的System circuit board和晶粒上為了導(dǎo)通供應(yīng)驅(qū)動(dòng)電力的金線,算是可大幅改善LED元件散熱效率的重要關(guān)鍵處,尤其是基礎(chǔ)載板的散熱效能改善,投入的改善措施其效益最為顯著、實(shí)際。

　　而目前也有LED元件廠,嘗試從金線下手,將金線距離縮短、線徑增大,藉此提升LED核心晶粒的散熱效能,但LED封裝 手法的改善效果有限,在成本與效益上仍未能如透過基礎(chǔ)載板的散熱改善措施來得更具效益。

　　而LED的散熱措施,觀察LED元件構(gòu)造會(huì)發(fā)現(xiàn),散熱的關(guān)鍵會(huì)只剩下LED晶粒與元件本身承載晶粒的載板,與LED元件與安裝于系統(tǒng)主機(jī)板上的電路載板兩個(gè)改善手段,基本上承載LED晶粒的載板屬于LED封裝制程中可以介入控制的關(guān)鍵點(diǎn),而LED元件與所安裝的電路板載板散熱關(guān)系,則是一般LED模塊 廠所關(guān)注的散熱改善重點(diǎn)。

　　解決LED核心熱源的散熱處理方式

　　在LED晶?；宀糠?主要是將LED晶粒在發(fā)光過程所產(chǎn)生的核心熱源,快速傳導(dǎo)到外部的重要關(guān)鍵,一般基于散熱考量,在高功率的LED元件方面,多數(shù)會(huì)采取散熱效率相對較佳的陶瓷基板為主,目前有薄膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷、 厚膜陶瓷基板等基板制法,高功率會(huì)產(chǎn)生高熱的高亮度元件,多數(shù)都采行 低溫共燒多層陶瓷或厚膜陶瓷基板,透過基礎(chǔ)載臺(tái)本身的高熱傳導(dǎo)效率,去提升將核心晶粒在發(fā)光歷程所產(chǎn)生的高熱,快速傳導(dǎo)到元件外部。

　　從此可以理解,陶瓷散熱基板可以說是能將LED元件本身的散熱條件,一舉提升的制程材料改善手段,也是目前高功率LED的制作方式,亦有必要針對此進(jìn)行深入說明。

　　LED薄膜陶瓷基板

　　與低溫共燒多層陶瓷、厚膜陶瓷基板基板技術(shù)不同的是,薄膜陶瓷基板則是采取濺鍍手段或是化學(xué)沈積方式,或佐以黃光微影制程制作,其中,透過黃光微影會(huì)使線路精密度方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越低溫共燒多層陶瓷與厚膜陶瓷基板制作方式,而300度低溫制程可避免陶瓷基板的體積變異問題,雖然優(yōu)點(diǎn)較多,其制作成本也相對增加。

　　LED低溫共燒多層陶瓷

　　低溫共燒多層陶瓷基板技術(shù)是采取用陶瓷材料,作為基板基礎(chǔ)材料的手段,制作方式是預(yù)先將相關(guān)線路透過網(wǎng)印手法印刷在基板表面,進(jìn)而整合多層陶瓷基板制作,而最后的制程階段則是應(yīng)用低溫?zé)Y(jié)制作而成。

　　但低溫共燒多層陶瓷基板的制作手段繁復(fù),加上金屬線路部分為采用網(wǎng)印方式處理,在對位誤差和精確度部分仍會(huì)出現(xiàn)可能的技術(shù)限制,而多層陶瓷結(jié)構(gòu)經(jīng)過燒結(jié)制作過程,也會(huì)遭遇熱脹、冷縮的問題,若想在低溫共燒多層陶瓷基板上再應(yīng)用需針對對位極為精準(zhǔn)要求的覆晶制作LED元件產(chǎn)品,其終端產(chǎn)品的良率提升將是一大挑戰(zhàn)。

　　LED厚膜陶瓷基板

　　厚膜陶瓷基板同樣也是采取網(wǎng)印方式制作,其工法是預(yù)先將材料印制到基板表面,當(dāng)印刷內(nèi)容物干燥后,基板再經(jīng)由燒結(jié)程序、雷射處理等步驟,完成厚膜陶瓷基板整個(gè)制作流程。

　　與低溫共燒多層陶瓷一樣,厚膜陶瓷基板一樣會(huì)遭遇到精密度的問題,尤其是對位會(huì)有誤差、線路型態(tài)較為粗糙,在產(chǎn)品不斷要求集積化、小型化的趨勢下,厚膜陶瓷基板的制作方式將會(huì)遭遇產(chǎn)品小型化的嚴(yán)苛挑戰(zhàn),同樣在面對共晶、覆晶的制作需求時(shí),厚膜陶瓷基板也會(huì)有對位與精確度的物理限制存在。

　　但前述也有提到,透過打金線的方式改善,再搭配特殊陶瓷基板的模式,對于LED元件散熱具有相當(dāng)大的效益,但金線連結(jié)的散熱效能仍相當(dāng)有限,近來也有多種解決方案針對此進(jìn)行改善,例如采用具高散熱系數(shù)的基板材料,如以碳化硅基板或矽基板取代傳統(tǒng)的氧化鋁材質(zhì),或改用氮化鋁或陽極化鋁基板等手段,藉此達(dá)到內(nèi)部高效散熱目的。

　　高功率LED元件 模塊廠的散熱設(shè)計(jì)手段

　　而在系統(tǒng)電路板的部份,多半是模塊廠著墨較多的改善角度,早期LED模塊產(chǎn)品大多使用PCB 材料作為架構(gòu)基礎(chǔ),但實(shí)際上PCB材料的散熱效率有限,近來針對高效能LED光源模塊多數(shù)已逐漸導(dǎo)入具高效導(dǎo)熱的金屬基板材質(zhì)取代PCB,例如鋁基板(MCPCB)或是其它利用金屬材料強(qiáng)化的應(yīng)用基板,除了系統(tǒng)電路板本身的應(yīng)用材質(zhì)改變外,為了近一步強(qiáng)化散熱與熱交換效率,于模塊外部也會(huì)采取設(shè)置鋁擠型散熱鰭片,或主動(dòng)式散熱風(fēng)扇,透過強(qiáng)制氣冷的手段強(qiáng)化加速熱散逸的目的。

　　各式高功率LED燈具模塊

　　在LED元件的核心,也有嘗試透過改善金線的制作邏輯,改用覆晶或共晶的模式將晶粒與外部進(jìn)行連結(jié),取得供應(yīng)電源 的設(shè)計(jì)方式,而透過此法所制成的LED元件,內(nèi)部連接晶粒的導(dǎo)線從點(diǎn)的接觸一舉變成面的連結(jié),熱傳導(dǎo)的基礎(chǔ)條件大幅強(qiáng)化,自然也能加速內(nèi)部的熱源散逸到元件外部!但共晶或覆晶的制程手段成本較高,對于基板的精密度要求極高,假若基板的平整度不佳,也會(huì)影響后段成品的良率表現(xiàn),其技術(shù)成熟度仍需要時(shí)間考驗(yàn)。