LED散热基板汇总介绍及技术发展趋势

2013-05-12 21:28:17来源: 互联网 关键字:LED  散热基板  技术发展
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。

  以薄膜制程备制之氮化铝基板大幅加速了热量从LED晶粒经由基板材料至系统电路 板的效能,因此大幅降低热量由LED晶粒经由金属线至系统电路板的负担,进而达到高热散 的效果。

  另一种热散的解决方案为将LED晶粒与其基板以共晶或覆晶的方式连结,如此一来 ,大幅增加经由电极导线至系统电路板之散热效率。然而此制程对于基板的布线精确度与 基板线路表面平整度要求极高,这使得厚膜及低温共烧陶瓷基板的精准度受制程网版张网 问题及烧结收缩比例问题而不敷使用。现阶段多以导入薄膜陶瓷基板,以解决此问题。薄 膜陶瓷基板以黄光微影方式备制电路,辅以电镀或化学镀方式增加线路厚度,使得其产品 具有高线路精准度与高平整度的特性。共晶/覆晶制程辅以薄膜陶瓷散热基板势必将大幅提 升LED的发光功率与产品寿命。

  近年来,由于铝基板的开发,使得系统电路板的散热问题逐渐获得改善,甚而逐渐 往可挠曲之软式电路板开发。另一方面,LED晶粒基板亦逐步朝向降低其热阻方向努力。

  3、LED陶瓷散热基板介绍

  如何降低LED晶粒陶瓷散热基板的热阻为目前提升LED发光效率最主要的课题之一, 若依其线路制作方法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 ,分别说明如下:
3.1 厚膜陶瓷基板

  厚膜陶瓷基板乃采用网印技术生产,藉由刮刀将材料印制于基板上,经过干燥、烧 结、雷射等步骤而成,目前国内厚膜陶瓷基板主要制造商为禾伸堂、九豪等公司。一般而 言,网印方式制作的线路因为网版张网问题,容易产生线路粗糙、对位不精准的现象。因 此,对于未来尺寸要求越来越小,线路越来越精细的高功率LED产品,亦或是要求对位准确 的共晶或覆晶制程生产的LED产品而言,厚膜陶瓷基板的精确度已逐渐不敷使用。

  3.2 低温共烧多层陶瓷

  低温共烧多层陶瓷技术,以陶瓷作为基板材料,将线路利用网印方式印刷于基板上 ,再整合多层的陶瓷基板,最后透过低温烧结而成,而其国内主要制造商有璟德电子、鋐 鑫等公司。而低温共烧多层陶瓷基板之金属线路层亦是利用网印制程制成,同样有可能因 张网问题造成对位误差,此外,多层陶瓷叠压烧结后,还会考量其收缩比例的问题。因此 ,若将低温共烧多层陶瓷使用于要求线路对位精准的共晶/覆晶LED产品,将更显严苛。

  3.3 薄膜陶瓷基板

  为了改善厚膜制程张网问题,以及多层叠压烧结后收缩比例问题,近来发展出薄膜 陶瓷基板作为LED晶粒的散热基板。薄膜散热基板乃运用溅镀、电/电化学沉积、以及黄光 微影制程制作而成,具备:

  (1)低温制程(300℃以下),避免了高温材料破坏或尺寸变异的可能性;

  (2)使用黄光微影制程,让基板上的线路 更加精确;

  (3)金属线路不易脱落…等特点,因此薄膜陶瓷基板适用于高功率、小尺 寸、高亮度的LED,以及要求对位精确性高的共晶/覆晶封装制程。而目前国内主要以瑷司柏 电子与同欣电等公司,具备了专业薄膜陶瓷基板生产能力。

  4、国际大厂LED产品发展趋势

  目前LED产品发展的趋势,可从LED各封装大厂近期所发表的LED产品功率和尺寸观 察得知,高功率、小尺寸的产品为目前LED产业的发展重点,且均使用陶瓷散热基板作为其 LED晶粒散热的途径。因此,陶瓷散热基板在高功率,小尺寸的LED产品结构上,已成为相 当重要的一环,以下表二即为国内外主要之LED产品发展近况与产品类别作简单的汇整。

  5、结论

  要提升LED发光效率与使用寿命,解决LED产品散热问题即为现阶段最重要的课题之 一,LED产业的发展亦是以高功率、高亮度、小尺寸LED产品为其发展重点,因此,提供具 有其高散热性,精密尺寸的散热基板,也成为未来在LED散热基板发展的趋势。现阶段以氮 化铝基板取代氧化铝基板,或是以共晶或覆晶制程取代打金线的晶粒/基板结合方式来达到 提升LED发光效率为开发主流。在此发展趋势下,对散热基板本身的线路对位精确度要求极 为严苛,且需具有高散热性、小尺寸、金属线路附着性佳等特色,因此,利用黄光微影制 作薄膜陶瓷散热基板,将成为促进LED不断往高功率提升的重要触媒之一。

关键字:LED  散热基板  技术发展

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0512/article_18347.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:“封装热导”原理技术探析
下一篇:智能无线供电电路

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利
推荐阅读
全部
LED
散热基板
技术发展

小广播

独家专题更多

TI车载信息娱乐系统的音视频解决方案
TI车载信息娱乐系统的音视频解决方案
汇总了TI汽车信息娱乐系统方案、优质音频解决方案、汽车娱乐系统和仪表盘参考设计相关的文档、视频等资源
迎接创新的黄金时代 无创想,不奇迹
迎接创新的黄金时代 无创想,不奇迹
​TE工程师帮助将不可能变成可能,通过技术突破,使世界更加清洁、安全和美好。
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2017 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved