高功率LED的散热设计与应用趋势分析
高功率LED元件 改善散热的处理手段
检视目前的LED散热改善手段的处理技术瓶颈,其实LED晶粒外部的光学材料所能改善的热交换效率有限,这是碍于勿理性的限制,改善幅度相当有限,反而是作为基板的System circuit board和晶粒上为了导通供应驱动电力的金线,算是可大幅改善LED元件散热效率的重要关键处,尤其是基础载板的散热效能改善,投入的改善措施其效益最为显著、实际。
而目前也有LED元件厂,尝试从金线下手,将金线距离缩短、线径增大,藉此提升LED核心晶粒的散热效能,但LED封装 手法的改善效果有限,在成本与效益上仍未能如透过基础载板的散热改善措施来得更具效益。
而LED的散热措施,观察LED元件构造会发现,散热的关键会只剩下LED晶粒与元件本身承载晶粒的载板,与LED元件与安装于系统主机板上的电路载板两个改善手段,基本上承载LED晶粒的载板属于LED封装制程中可以介入控制的关键点,而LED元件与所安装的电路板载板散热关系,则是一般LED模块 厂所关注的散热改善重点。
解决LED核心热源的散热处理方式
在LED晶粒基板部分,主要是将LED晶粒在发光过程所产生的核心热源,快速传导到外部的重要关键,一般基于散热考量,在高功率的LED元件方面,多数会采取散热效率相对较佳的陶瓷基板为主,目前有薄膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷、 厚膜陶瓷基板等基板制法,高功率会产生高热的高亮度元件,多数都采行 低温共烧多层陶瓷或厚膜陶瓷基板,透过基础载台本身的高热传导效率,去提升将核心晶粒在发光历程所产生的高热,快速传导到元件外部。
从此可以理解,陶瓷散热基板可以说是能将LED元件本身的散热条件,一举提升的制程材料改善手段,也是目前高功率LED的制作方式,亦有必要针对此进行深入说明。
LED薄膜陶瓷基板
与低温共烧多层陶瓷、厚膜陶瓷基板基板技术不同的是,薄膜陶瓷基板则是采取溅镀手段或是化学沈积方式,或佐以黄光微影制程制作,其中,透过黄光微影会使线路精密度方面远远超越低温共烧多层陶瓷与厚膜陶瓷基板制作方式,而300度低温制程可避免陶瓷基板的体积变异问题,虽然优点较多,其制作成本也相对增加。
LED低温共烧多层陶瓷
低温共烧多层陶瓷基板技术是采取用陶瓷材料,作为基板基础材料的手段,制作方式是预先将相关线路透过网印手法印刷在基板表面,进而整合多层陶瓷基板制作,而最后的制程阶段则是应用低温烧结制作而成。
但低温共烧多层陶瓷基板的制作手段繁复,加上金属线路部分为采用网印方式处理,在对位误差和精确度部分仍会出现可能的技术限制,而多层陶瓷结构经过烧结制作过程,也会遭遇热胀、冷缩的问题,若想在低温共烧多层陶瓷基板上再应用需针对对位极为精准要求的覆晶制作LED元件产品,其终端产品的良率提升将是一大挑战。
LED厚膜陶瓷基板
厚膜陶瓷基板同样也是采取网印方式制作,其工法是预先将材料印制到基板表面,当印刷内容物干燥后,基板再经由烧结程序、雷射处理等步骤,完成厚膜陶瓷基板整个制作流程。
与低温共烧多层陶瓷一样,厚膜陶瓷基板一样会遭遇到精密度的问题,尤其是对位会有误差、线路型态较为粗糙,在产品不断要求集积化、小型化的趋势下,厚膜陶瓷基板的制作方式将会遭遇产品小型化的严苛挑战,同样在面对共晶、覆晶的制作需求时,厚膜陶瓷基板也会有对位与精确度的物理限制存在。
但前述也有提到,透过打金线的方式改善,再搭配特殊陶瓷基板的模式,对于LED元件散热具有相当大的效益,但金线连结的散热效能仍相当有限,近来也有多种解决方案针对此进行改善,例如采用具高散热系数的基板材料,如以碳化硅基板或矽基板取代传统的氧化铝材质,或改用氮化铝或阳极化铝基板等手段,藉此达到内部高效散热目的。
高功率LED元件 模块厂的散热设计手段
而在系统电路板的部份,多半是模块厂著墨较多的改善角度,早期LED模块产品大多使用PCB 材料作为架构基础,但实际上PCB材料的散热效率有限,近来针对高效能LED光源模块多数已逐渐导入具高效导热的金属基板材质取代PCB,例如铝基板(MCPCB)或是其它利用金属材料强化的应用基板,除了系统电路板本身的应用材质改变外,为了近一步强化散热与热交换效率,于模块外部也会采取设置铝挤型散热鳍片,或主动式散热风扇,透过强制气冷的手段强化加速热散逸的目的。
各式高功率LED灯具模块
在LED元件的核心,也有尝试透过改善金线的制作逻辑,改用覆晶或共晶的模式将晶粒与外部进行连结,取得供应电源 的设计方式,而透过此法所制成的LED元件,内部连接晶粒的导线从点的接触一举变成面的连结,热传导的基础条件大幅强化,自然也能加速内部的热源散逸到元件外部!但共晶或覆晶的制程手段成本较高,对于基板的精密度要求极高,假若基板的平整度不佳,也会影响后段成品的良率表现,其技术成熟度仍需要时间考验。
加入微信
获取电子行业最新资讯
搜索微信公众号：EEPW
或用微信扫描左侧二维码