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随着全球环保的意识抬头,节能省电已成为当今的趋势。LED产业是近年来最受瞩 目的产业之一。发展至今,LED产品已具有节能、省电、高效率、反应时间快、寿命周期长 、且不含汞,具有环保效益;等优点。然而通常LED高功率产品输入功率约为20%能转换成 光,剩下80%的电能均转换为热能。
一般而言,LED发光时所产生的热能若无法导出,将会使LED结面温度过高,进而影 响产品生命周期、发光效率、稳定性,而LED结面温度、发光效率及寿命之间的关系,以下 将利用关系图作进一步说明。
1、LED散热途径
依据不同的封装技术,其散热方法亦有所不同,而LED各种散热途径方法约略可以 下示意之:
散热途径说明:
(1). 从空气中散热
(2). 热能直接由System circuit board导出
(3). 经由金线将热能导出
(4). 若为共晶及Flip chip制程,热能将经由通孔至系统电路板而导出
一般而言,LED晶粒(Die)以打金线、共晶或覆晶方式连结于其基板上 (Substrate of LEDDie)而形成一LED晶片( chip),而后再将LED 晶片固定于系统的电 路板上(System circuitboard)。因此,LED可能的散热途径为直接从空气中散热,或经 由LED晶粒基板至系统电路板再到大气环境。而散热由系统电路板至大气环境的速率取决于 整个发光灯具或系统之设计。
然而,现阶段的整个系统之散热瓶颈,多数发生在将热量从LED晶粒传导至其基板 再到系统电路板为主。此部分的可能散热途径:其一为直接藉由晶粒基板散热至系统电路 板,在此散热途径里,其LED晶粒基板材料的热散能力即为相当重要的参数。另一方面, LED所产生的热亦会经由电极金属导线而至系统电路板,一般而言,利用金线方式做电极接 合下,散热受金属线本身较细长之几何形状而受限;因此,近来即有共晶(Eutectic) 或 覆晶(Flipchip)接合方式,此设计大幅减少导线长度,并大幅增加导线截面积,如此一 来,藉由LED电极导线至系统电路板之散热效率将有效提升。
经由以上散热途径解释,可得知散热基板材料的选择与其LED晶粒的封装方式于LED 热散管理上占了极重要的一环,后段将针对LED散热基板做概略说明。
2、LED散热基板
LED散热基板主要是利用其散热基板材料本身具有较佳的热传导性,将热源从LED晶 粒导出。因此,我们从LED散热途径叙述中,可将LED散热基板细分两大类别,分别为LED晶 粒基板与系统电路板,此两种不同的散热基板分别乘载着LED晶粒与LED晶片将LED晶粒发光 时所产生的热能,经由LED晶粒散热基板至系统电路板,而后由大气环境吸收,以达到热散 之效果。
2.1 系统电路板
系统电路板主要是作为LED散热系统中,最后将热能导至散热鳍片、外壳或大气中 的材料。近年来印刷电路板(PCB)的生产技术已非常纯熟,早期LED产品的系统电路板多 以PCB为主,但随着高功率LED的需求增加,PCB之材料散热能力有限,使其无法应用于其高 功率产品,为了改善高功率LED散热问题,近期已发展出高热导系数铝基板(MCPCB),利 用金属材料散热特性较佳的特色,已达到高功率产品散热的目的。然而随着LED亮度与效能 要求的持续发展,尽管系统电路板能将LED晶片所产生的热有效的散热到大气环境,但是 LED晶粒所产生的热能却无法有效的从晶粒传导至系统电路板,异言之,当LED功率往更高 效提升时,整个LED的散热瓶颈将出现在LED晶粒散热基板。
2.2 LED晶粒基板
LED晶粒基板主要是作为LED 晶粒与系统电路板之间热能导出的媒介,藉由打线、 共晶或覆晶的制程与LED晶粒结合。而基于散热考量,目前市面上LED晶粒基板主要以陶瓷 基板为主,以线路备制方法不同约略可区分为:厚膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷、以及 薄膜陶瓷基板三种,在传统高功率LED元件,多以厚膜或低温共烧陶瓷基板作为晶粒散热基 板,再以打金线方式将LED晶粒与陶瓷基板结合。
如前言所述,此金线连结限制了热量沿电极接点散失之效能。因此,近年来,国内 外大厂无不朝向解决此问题而努力。其解决方式有二,其一为寻找高散热系数之基板材料 ,以取代氧化铝,包含了矽基板、碳化矽基板、阳极化铝基板或氮化铝基板,其中矽及碳 化矽基板之材料半导体特性,使其现阶段遇到较严苛的考验,而阳极化铝基板则因其阳极 化氧化层强度不足而容易因碎裂导致导通,使其在实际应用上受限,因而,现阶段较成熟 且普通接受度较高的即为以氮化铝作为散热基板;然而,目前受限于氮化铝基板不适用传 统厚膜制程(材料在银胶印刷后须经850℃大气热处理,使其出现材料信赖性问题),因此 ,氮化铝基板线路需以薄膜制程备制。
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