从钻石的散热及发光看超级LED的设计

2010-12-18 18:37:34来源: OFweek半导体照明网
  台湾的钻石科技中心(Diamond Technology Center,DTC)以类钻碳(Diamond Like Carbon,DLC)的镀膜取代印刷电路板上环氧树脂的绝缘2层,可使现行LED 的照明产品(如路灯)的寿命大幅延长。DTC 又发展出钻石岛外延片(Diamond Islands Wafer,DIW)做为生产超级LED 的基材。超级LED 可发出极强的紫外光(Ultraviolet Light,UV),其强度不因高温而降低,反而会更亮。超级LED 的半导体,包括钻石、立方氮化硼(Cubic Boron Nitride,cBN)及氮化铝(AlN)等具有极宽的能隙,甚至能制成固态的UV Laser,其光能密度将远大于现有的气体(如Eximer)雷射。

  光的革命

  本世纪开始就啟动了光的革命, 已经用了百餘年的白炽灯(Incandescent Lamp)及萤光灯(Fluorescent Lamp)即将走入歷史。就在未来的几年,LED 发光将成照明(如路灯)及显示(如电视)的主流。2009 年全球LED 的总产值约76 亿美元,日本为产值第一的国家,台湾则为产量最大的地区(图1)。

图1:LED产量年年攀高

  台湾为半导体的制造王国,也拥有最多的MOCVD 长晶机台。台湾在这一波光革命的浪潮乘势冲高,已成为LED 最多芯片的生产主国。但就像是过去的光盘及现在的DRAM 必须付出昂贵的权利金一样,LED 的专利也受制于外国公司(图2)。“微笑曲线”使国外大公司专利产生的利润远大于台湾辛苦生产LED 的价值。

图 2:世界LED 专利的交互授权已把台湾的制造者边缘化

  钻石科技

  台湾的半导体制造技术虽受制于人,但半导体材料最极致的钻石产品却独步全球。中国砂轮企业股份有限公司(Kinik Company)与宋健民博士合作(Joint Venture)的钻石科技中心(Diamond Technology Center,DTC)在1999 年推出世界首创的钻石阵(DiaGrid) 钻石碟,早成生产集成电路必用「化学机械平坦化」(Chemical Mechanical Planarization,CMP)的标准产品(图3)。DTC 的专利也曾逼退3M,更曾授权美国、日本及中国的主要钻石产品公司。

图3:早成生产集成电路必用“化学机械平坦化”的标准产品

  台湾的钻石科技中心(Diamond Technology Center,DTC)以类钻碳(Diamond Like Carbon,DLC)的镀膜取代印刷电路板上环氧树脂的绝缘2层,可使现行LED 的照明产品(如路灯)的寿命大幅延长。DTC 又发展出钻石岛外延片(Diamond Islands Wafer,DIW)做为生产超级LED 的基材。超级LED 可发出极强的紫外光(Ultraviolet Light,UV),其强度不因高温而降低,反而会更亮。超级LED 的半导体,包括钻石、立方氮化硼(Cubic Boron Nitride,cBN)及氮化铝(AlN)等具有极宽的能隙,甚至能制成固态的UV Laser,其光能密度将远大于现有的气体(如Eximer)雷射。

  DTC 发展出一系列的钻石镀膜,其中包括CVD 及PVD(图4)。

图4:DTC披覆类钻碳(Diamond Like Carbon,DLC)的技术示意

  DTC 的钻石科技可提升LED 设计的视野。DTC 对LED 的上、中、下游都有对应的钻石产品,可以使台湾未来的LED 产品加上钻石价值而独步全球(图5)。

图5:  图示DTC 发展超级LED 的设计例子

  钻石电路板

  LED 的亮度会随温度的升高而降低,而其寿命更会急据缩短。目前LED 的下游散热片多以铝片制成,其上的铜制电路乃以绝热的环氧树脂(Epoxy)隔开绝缘。环氧树脂的热传导係数(0.5 W/mK)比铝(275 W/mK)低数百倍,LED 芯片产生的热乃久聚难散。DTC 以比铜热传导係数(400W/mK)更高的DLC(500 W/mK)绝缘铜导线,因此可以达到显着的冷却效果(图6~图14)。DLC 披覆的印刷电路板(Print Circuit Board,PCB),已经供应给台湾多家的LED 制造厂家,更将和中国的海安晶钻公司合作量产。

图 6:以热闪(Laser Flash)(ASTM E-1461DIN)量测的热扩散率(Thermal Diffusivity)显示DLC 远高于铜泊

图 7:披覆DLC 的PCB 在加电20 分鐘后不同LED 的表面温度差异< 1℃。未披覆DLC 者温差可达3℃(350 mA)或9℃(1000 mA)

图 8:DLC 散热的剖面显示LED 的温度梯度明显降低,热流由芯片迅速流向边缘

图 9:高功率(> 5W)LED 的DLC PCB(DTC 产品)

图 10:DLC 镀膜可戏剧性的减小铝板的热阻

图 11:DLC PCB 的热阻,不仅最小,而且不随LED 功率的提高而增加

图 12:DLC 披覆的PCB 可提升红、绿、蓝LED 的亮度

图 13:DLC 披覆的PCB 制成LED 路灯的散热效果

图14:DLC 披覆PCB 的快速散热可有效减缓LED 亮度的衰减

  

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关键字:LED照明  LED散热  超级LED  钻石

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/szds/2010/1218/article_2389.html
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