2010年LED散热基板的趋势

1、前言
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、发光效率及寿命是紧密关联的。
LED结面温度与发光效率的关系：当结面温度由25℃上升至100℃时，其发光效率将会衰退20%到75%不等，其中又以黄色光衰退75%最为严重。此外，当LED的操作环境温度愈高，其产寿命亦愈低，当操作温度由63℃升到74℃时，LED平均寿命将会减少3/4。因此，要提升LED的发光效率，LED系统的热散管理与设计便成为了一重要课题，在了解LED散热问题之前，必须先了解其散热途径，进而针对散热瓶颈进行改善。

2、LED散热途径
依据不同的封装技术，其散热方法亦有所不同，一般而言，LED芯片(Die)以打金线、共晶或覆晶方式连结于其基板上而形成一LED晶片(chip)，而后再将LED晶片固定于系统的电路板上。因此，LED可能的散热途径为直接从空气中散热，或经由LED芯片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芯片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：其一为直接藉由芯片基板散热至系统电路板，在此散热途径里，其LED芯片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，近来即有共晶或覆晶接合方式，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。

3、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芯片导出。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芯片基板与系统电路板，此两种不同的散热基板分别乘载着LED芯片与LED晶片将LED芯片发光时所产生的热能，经由LED芯片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。

a.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，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芯片所产生的热能却无法有效的从芯片传导至系统电路板，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芯片散热基板，下段文章将针对LED芯片基板做更深入的探讨。

b.LED芯片基板
LED芯片基板主要是作为LED芯片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芯片结合。而基于散热考量，目前市面上LED芯片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芯片散热基板，再以打金线方式将LED芯片与陶瓷基板结合。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芯片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芯片经由金属线至系统电路板的负担，进而达到高热散的效果。

一种热散的解决方案为将LED芯片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芯片基板亦逐步朝向降低其热阻方向努力。

5、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芯片散热的途径。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。　

6、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 取代打金线的芯片/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。