LED散热铝基板散热途径

依据不同的封装技术，其散热方法亦有所不同： 　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 LED Die)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 circuit board)。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(Flip chip)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散热铝基板做概略说明。

LED散热铝基板

LED散热铝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(1)LED晶粒基板与(2)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。 　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，下段文章将针对LED晶粒基板做更深入的探讨。

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。

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。

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：

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。

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。

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。

a,采用表面贴装技术（SMT）； 　b,在电路设计方案中对热扩散进行极为有效的处理；

c,降低产品运行温度，提高产品功率密度和可靠性，延长产品使用寿命；

d,缩小产品体积，降低硬件及装配成本；

e,取代易碎的陶瓷基板，获得更好的机械耐久力。

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。

用途：功率混合IC（HIC）。

1.音频设备：输入、输出放大器、平衡放大器、音频放大器、前置放大器、功率放大器等。

2.电源设备：开关调节器`DC/AC转换器`SW调整器等。

3.通讯电子设备：高频增幅器`滤波电器`发报电路。

4.办公自动化设备：电动机驱动器等。

5.汽车：电子调节器`点火器`电源控制器等。

6.计算机：CPU板`软盘驱动器`电源装置等。

7.功率模块：换流器`固体继电器`整流电桥等。

8、灯具灯饰：随着节能灯的提倡推广，各种节能绚丽的LED灯大受市场欢迎，而应用于LED灯的铝基板也开始大规模应用。

对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。 1998 年发白光的 LED 开发成功。这种 LED 是将 GaN 芯片和钇铝石榴石（ YAG ）封装在一起做成。 GaN 芯片发蓝光（ λ p =465nm ， Wd=30nm ），高温烧结制成的含 Ce3 的 YAG 荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值 550nm 。蓝光 LED 基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有 YAG 的树脂薄层，约 200-500nm 。 LED 基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。对于 InGaN/YAG 白色 LED ，通过改变 YAG 荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温 3500-10000K 的各色白光。

蓝光LED技术，简单来说就是一种更为节能高效的灯光产生方式，同时也能应用到相机、手机等科技产品中。用蓝光LED技术制造的照明设备，能效更高，大大降低地球能源使用量。根据已有的数据显示，全世界的25%电力都被用于照明作用，而使用LED灯具之后，用于照明的电力降低到4%，而这无疑改变了整个世界。

从1907年LED效应发现到1993中村修二正式发明LED，再到1999年1W的LED灯正式商业化使用，LED经历了将近一百年时间的发展。在此之前，人们一直使用的是上个世纪爱迪生发明的白炽灯泡，而白炽灯泡浪费了绝大部分能量在发热上，大概有九成的电力都被浪费。

LED灯具的出现，极大地降低照明所需要的电力，同样瓦数的LED灯，所需电力只有白炽灯泡的1/10，同时LED具有寿命长、环保、免维护等优点，迅速取代白炽灯的位置。2012年，中国政府宣布，全面禁止销售和进口100瓦以上的普通照明用白炽灯，陪伴老一辈中国人几十年的白炽灯即将走到历史的尽头。

正如在诺贝尔物理学奖颁奖词中写到的那样：“白炽灯照亮20世纪，而LED灯将照亮21世纪。”

优势

1、高效节能

一千小时仅耗几度电（普通60W白炽灯十七小时耗1度电，普通10W节能灯一百小时耗1度电）

2、超长寿命

半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，使用寿命可达五万小时（普通白炽灯使用寿命仅有一千小时，普通节能灯使用寿命也只有八千小时）

3、健康

光线健康光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射（普通灯光线中含有紫外线和红外线）

4、绿色环保：

不含汞和氙等有害元素，利于回收和，而且不会产生电磁干扰（普通灯管中含有汞和铅等元素，节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰）

5、保护视力

直流驱动，无频闪（普通灯都是交流驱动，就必然产生频闪）

6、光效率高

发热小10%的电能转化为可见光（普通白炽灯95%的电能转化为热能，仅有5%电能转化为光能）

7、安全系数高

所需电压、电流较小，发热较小，不产生安全隐患，于矿场等危险场所

8、市场潜力大

低压、直流供电，电池、太阳能供电，于边远山区及野外照明等缺电、少电场所。

对比

1、LED灯在交流电驱动下和普通白炽灯一样会有频闪现象，而普通节能灯没有频闪现象。频闪会使眼睛容易疲劳。

2、每个LED灯泡的光线过亮，会强烈刺激眼睛，不可直视，哪怕短时间，而普通节能灯相对要柔和些！

3、照射角度有限制，一般只能照射120°，而普通节能灯几乎可照射360°。

4、照射房间的亮度并不比节能灯出色，因为led只在直视的狭小角度内有高亮度，而偏离该角度后光线迅速减弱。

因此，LED节能灯作为室内照明灯具的优势未必比普通节能灯明显，但作为电筒、台灯、射灯等只需照射狭小角度的灯具使用时还是非常优秀的。

选购

1、LED亮度（MCD）不同，价格不同。用于led灯具的LED应符合雷射等级Ⅰ类标准。

2、抗静电能力抗静电能力强的LED，寿命长，因而价格高。通常抗静电大于700V的LED才能用于LED灯饰。

3、波长一致的LED，颜色一致，如要求颜色一致，则价格高。没有LED分光分色仪的生产商很难生产色彩纯正的产品。

4、漏电电流LED是单向导电的发光体，如果有反向电流，则称为漏电，漏电电流大的LED，寿命短，价格低。

5、发光角度用途不同的LED其发光角度不一样。特殊的发光角度，价格较高。如全漫射角，价格较高。

6、寿命不同品质的关键是寿命，寿命由光衰决定。光衰小、寿命长，寿命长，价格高。

7、晶片LED的发光体为晶片，不同的晶片，价格差异很大。日本、美国的晶片较贵，一般台湾及国产的晶片价格低于日、美（CREE）。

8、晶片大小晶片的大小以边长表示，大晶片LED的品质比小晶片的要好。价格同晶片大小成正比。

9、胶体普通的LED的胶体一般为环氧树脂，加有抗紫外线及防火剂的LED价格较贵，高品质的户外LED灯饰应抗紫外线及防火。每一种产品都会有不同的设计，不同的设计适用于不同的用途，LED灯饰的可靠性设计方面包含：电气安全、防火安全、适用环境安全、机械安全、健康安全、安全使用时间等因素。从电气安全角度看，应符合相关的国际、国家标准。