LED高功率設(shè)計(jì)中散熱問題分析

隨著LED照明的需求日趨迫切，高功率LED的散熱問題益發(fā)受到重視，因?yàn)檫^高的溫度會(huì)導(dǎo)致LED發(fā)光效率衰減；LED運(yùn)作所產(chǎn)生的廢熱若無法有效散出，則會(huì)直接對(duì)LED的壽命造成致命性的影響，因此，近年來高功率LED散熱問題的解決成為許多相關(guān)業(yè)者的研發(fā)標(biāo)的。

對(duì)于大功率照明LED散熱技術(shù)，各家公司可說是各顯神通，例如***的光海科技便發(fā)展出‘COHS封裝散熱技術(shù)',光?？萍际抢帽旧磔d板設(shè)計(jì)能力的優(yōu)勢(shì)，將LED直接封裝在高導(dǎo)熱性的銅基座上，銅的高導(dǎo)熱性就如同散熱器的角色，再加上以電路設(shè)計(jì)及自有工藝克服絕緣膜與銅材質(zhì)間的附著性問題，便發(fā)展出所謂的COHS技術(shù)（ChipsOn Heat Sink），并已擁有47項(xiàng)COHS相關(guān)專利。

COHS散熱技術(shù)前景可期

光海科技表示，該公司的'COHS散熱技術(shù)’有別于傳統(tǒng)COB封裝方式，省去了芯片與基座間不必要的熱阻材，且采用比鋁的導(dǎo)熱性更佳的銅做為基板，而針對(duì)60W以上的燈芯模塊，更加入了均溫板的概念，能將熱能更快速地傳導(dǎo)開來。整體而言，此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括模塊熱阻低、容易控制結(jié)面溫度、可提供量測(cè)結(jié)面溫度的測(cè)試點(diǎn)、具低成本包裝的結(jié)構(gòu)、安裝簡(jiǎn)易、散熱效果佳等等。目前光海科技的產(chǎn)品已實(shí)際應(yīng)用在山東省慶云縣的LED路燈工程、北京市大興區(qū)LED路燈工程及各式室內(nèi)、室外照明等。

在日前于韓國(guó)產(chǎn)業(yè)技術(shù)大學(xué)中舉辦的新產(chǎn)品測(cè)試中，光?？萍?20瓦（W）模塊的電極溫度約為攝氏70度，其他公司60瓦等級(jí)模塊的電極溫度卻高達(dá)攝氏150度，后者的功率未及光海產(chǎn)品一半，電極溫度卻高出許多，足見光海散熱技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。據(jù)了解，為求進(jìn)軍韓國(guó)市場(chǎng)，光海科技將投資1,000萬美元于南韓京畿道建設(shè)產(chǎn)線。

COHS散熱技術(shù)是采用銅基板，目前另一頗受注目的散熱技術(shù)則是采用陶瓷基板，由陶瓷基板的成本頗具競(jìng)爭(zhēng)力，且具有與半導(dǎo)體有接近的熱膨脹系數(shù)與高耐熱能力，能有效地解決熱歪斜及高溫工藝問題，因此?，F(xiàn)階段許多公司紛紛投入陶瓷基板技術(shù)的研發(fā)，例如同欣電子。

陶瓷基板散熱

同欣電子總經(jīng)理劉煥林便表示，LED陶瓷基板將是同欣電子未來的主要成長(zhǎng)動(dòng)能。該公司的產(chǎn)品為DPC陶瓷基板。現(xiàn)階段較普遍的陶瓷散熱基板種類共有HTCC、LTCC、DBC、DPC四種，其中，DPC（DirectPlateCopper）是將陶瓷基板利用真空濺鍍鍍上銅層，再利用顯影工藝制造線路，其工藝結(jié)合材料與薄膜工藝技術(shù)，為近年最普遍使用的陶瓷散熱基板。

基本上，LED散熱基板主要分為金屬與陶瓷基板。金屬基板以鋁或銅為材料，由于技術(shù)成熟，且具成本優(yōu)勢(shì)，目前為一般LED產(chǎn)品所采用。而陶瓷基板線路對(duì)位精確度高，為業(yè)界公認(rèn)導(dǎo)熱與散熱性能極佳材料，是目前高功率LED散熱最適方案，雖然成本比金屬基板來得高，但照明要求的散熱性及穩(wěn)定性高于筆記本電腦、電視等電子產(chǎn)品，因此，包括Cree、歐司朗、飛利浦及日亞化等國(guó)際大廠，都使用陶瓷基板作為L(zhǎng)ED晶粒散熱材質(zhì)。

比較各種陶瓷散熱技術(shù)，其中，HTCC（高溫共燒多層陶瓷基板）屬于較早期發(fā)展之技術(shù)，但由于其較高的工藝溫度（1300到1600℃），使其電極材料的選擇受限，且制作成本相當(dāng)昂貴，目前漸漸被LTCC取代。此外，DPC陶瓷基板導(dǎo)熱效果又優(yōu)于低溫陶瓷共燒（LTCC）與散熱鋁基板，因此DPC陶瓷基板散熱技術(shù)近年頗受看好，同欣電子表示，該公司目前陶瓷基板仍供不應(yīng)求，產(chǎn)能方面鶯歌廠月產(chǎn)能30萬片（每片為4寸×4寸，每片顆數(shù)為440到890顆（視設(shè)計(jì)而定），菲律賓廠月產(chǎn)能10萬片，近期將有5萬片新產(chǎn)能加入，整體而言，由于LED取代傳統(tǒng)照明為未來趨勢(shì)，因此同欣電子將長(zhǎng)期獲益自此一應(yīng)用。

被動(dòng)組件業(yè)者順勢(shì)跨入

看好陶瓷基板在LED散熱的應(yīng)用，大毅除被動(dòng)組件與保護(hù)組件的制造外，于2010年更進(jìn)一步投入LED散熱基板市場(chǎng)；制造高功率LED散熱基板，該公司是利用目前既有的專業(yè)保護(hù)組件黃光微影薄膜工藝以及精密電鑄技術(shù)能力，加上由該公司自行研發(fā)的雷射切割鑿孔設(shè)備，導(dǎo)入氧化鋁以及氮化鋁作為散熱基板材料，納入生產(chǎn)工藝開始進(jìn)行量產(chǎn)，可滿足LED產(chǎn)品封裝的設(shè)計(jì)與散熱需求。

大毅科技董事長(zhǎng)江財(cái)寶表示，由于LED陶瓷散熱基板的工藝與大毅現(xiàn)有的保護(hù)組件產(chǎn)品工藝相仿，并且在材料與設(shè)備上更是有許多相同之處，因此能利用原本保護(hù)組件使用的陶瓷基板工藝共通性，制造出高功率LED散熱用陶瓷基板產(chǎn)品。他并指出，大毅科技推出的高功率散熱基板已送各LED封裝大廠認(rèn)證，且將積極針對(duì)LED散熱基板產(chǎn)品進(jìn)行三大領(lǐng)域布局，一為晶粒封裝市場(chǎng)，鎖定億光等LED封裝大廠客戶；其次為L(zhǎng)ED照明基板，第三為L(zhǎng)ED背光源基板。目前大毅在前兩項(xiàng)領(lǐng)域已開始小量出貨。

同樣是從保護(hù)組件跨入LED散熱基板的業(yè)者還有璦司柏電子，該公司總經(jīng)理莊弘毅表示，璦司柏電子是由保護(hù)組件起家，成立于2009年6月，目前營(yíng)運(yùn)項(xiàng)目以精密陶瓷之線路設(shè)計(jì)為主、而主要工藝有薄膜散熱基板、黃光微影等技術(shù)等。莊弘毅表示，海內(nèi)外大廠為節(jié)省LED組件空間并兼顧線路保護(hù)的功能，多希望將保護(hù)組件直接建立陶瓷基板中，而不需要再額外添加保護(hù)組件，如防靜電的二極管，而璦司柏目前所研發(fā)的新產(chǎn)品，便是在線路設(shè)計(jì)時(shí)將保護(hù)組件放入，如此就不需額外置入，可大幅節(jié)省成本，且此種技術(shù)可將體積縮小，減少20%~30%的空間。此外，璦司柏自行開發(fā)的多層導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)增加了熱傳導(dǎo)的路徑，可降低LED晶粒與陶瓷散熱基板的熱阻，更能有效提升LED發(fā)光效率。

莊弘毅進(jìn)一步表示，璦司柏電子研發(fā)團(tuán)隊(duì)累積十年年的薄膜組件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在去年已完成第三代薄膜專業(yè)代工的生產(chǎn)線，主推薄膜陶瓷基板作為L(zhǎng)ED晶粒的散熱基板，可改善厚膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷對(duì)位的精準(zhǔn)度等問題。整體而言，薄膜散熱基板運(yùn)用濺鍍、電/電化學(xué)沉積，以及黃光微影工藝制作而成，具備以下特點(diǎn)：低溫工藝（300℃以下），避免高溫材料破壞或尺寸變異的可能性；使用黃光微影工藝，讓基板上的線路更加精確；金屬線不易脫落等特點(diǎn)，因此薄膜陶瓷基板適用于高功率、小尺寸、高亮度的LED。

除上述大毅及璦司柏外，禾伸堂亦是從被動(dòng)組件跨入LED陶瓷基板領(lǐng)域，該公司董事長(zhǎng)唐錦榮表示，禾伸堂的陶瓷散熱基板主要應(yīng)用于高瓦數(shù)LED照明以及太陽能等領(lǐng)域，唐錦榮分析，因陶瓷與LED對(duì)熱的膨脹幅度相同，陶瓷基板未來將廣泛應(yīng)用在LED散熱，出貨量可望有大幅成長(zhǎng)。

據(jù)了解，禾伸堂因?yàn)閾碛刑沾杉胺勰┘夹g(shù)的研發(fā)設(shè)備與工藝，因此在2003年跨入LED散熱基板，主要使用「薄膜陶瓷基板」技術(shù)，不過由于LED散熱基板通過國(guó)際大廠認(rèn)證時(shí)間長(zhǎng)，直到近期才有明顯收獲，目前LED散熱基板月產(chǎn)能10萬片，可貢獻(xiàn)一年?duì)I收7到8億元，未來會(huì)再發(fā)展至月產(chǎn)30萬片。

LED照明模塊整體散熱

除了利用基板新技術(shù)強(qiáng)化散熱效果外，LED照明模塊的整體散熱機(jī)能亦是另一重點(diǎn)。在此領(lǐng)域，建準(zhǔn)電機(jī)已于今年推出LED燈具節(jié)能散熱模塊。建準(zhǔn)電機(jī)三十年來專注馬達(dá)核心技術(shù)，以自有專利技術(shù)深耕散熱風(fēng)扇、散熱模塊，并提供有關(guān)散熱領(lǐng)域之有效整合解決方案。該公司表示，以節(jié)能減碳為產(chǎn)品設(shè)計(jì)重點(diǎn)的LED燈具節(jié)能散熱模塊，具有三大創(chuàng)新設(shè)計(jì)，即風(fēng)扇雙向運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)除塵設(shè)計(jì)、可防止熱空氣回流之專利阻隔環(huán)設(shè)計(jì)以及靜音低于20Phon的寧?kù)o散熱，為L(zhǎng)ED照明產(chǎn)業(yè)提供極佳的散熱管理方案。該公司今年推出全新「One-module」概念的LED燈具散熱模塊，是將LED散熱模塊簡(jiǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)品，一款散熱模塊可應(yīng)用于多款LED燈具，可簡(jiǎn)化客戶端的設(shè)計(jì)流程，并彈性應(yīng)用于LED球燈、筒燈、MR16投射燈、LED路燈等各式LED燈具；目前此散熱模塊已出貨至歐洲LED知名大廠。

同樣看好LED照明市場(chǎng)，超眾也是積極在LED燈具散熱模塊領(lǐng)域布局，該公司表示，LED路燈散熱模塊在去年出貨2萬盞，今年出貨量維持水平，明年市場(chǎng)則頗為看好。超眾總經(jīng)理吳惠然指出，現(xiàn)階段業(yè)界傳出LED路燈故障，多因散熱問題無法解決，事實(shí)上散熱模塊是由金屬結(jié)構(gòu)所組成，其材質(zhì)皆為銅鋁等五金件，并透過本身之熱傳導(dǎo)設(shè)計(jì)與散熱原理，將熱能排放至環(huán)境中，進(jìn)而達(dá)成熱平衡，無需再藉助其它額外動(dòng)力即可發(fā)揮散熱功效，所以當(dāng)LED散熱模塊通過測(cè)試之后，即不容易再有問題發(fā)生。他并認(rèn)為隨著LED售價(jià)日趨降低，勢(shì)必將于未來取代傳統(tǒng)照明燈具，LED散熱模塊也將日趨重要，超眾將持續(xù)經(jīng)營(yíng)此市場(chǎng)區(qū)隔。

導(dǎo)熱化學(xué)材料

如上所述，LED朝著高功率發(fā)展已是必然的趨勢(shì)，導(dǎo)熱、散熱相關(guān)問題的解決也就勢(shì)在必行，解決此類問題的途徑相當(dāng)多元，除前面所列舉的方式外，冠品化學(xué)則是以化學(xué)品角度切入。冠品化學(xué)研發(fā)部主管葉圣偉表示，為協(xié)助LED業(yè)者解決散熱問題，近年來冠品化學(xué)以總體熱阻的概念，研發(fā)出一款新型LED絕緣導(dǎo)熱膠，該項(xiàng)產(chǎn)品配合散熱型LED白色背光油墨，不但能協(xié)助業(yè)者降低至少50%到70%的成本，更因?yàn)槠錈嶙柚档陀?.6c㎡K/W,能快速有效排除熱能，讓LED光能轉(zhuǎn)換更有效發(fā)揮。

葉圣偉表示，LED產(chǎn)品熱阻要降低，不僅僅是要用對(duì)導(dǎo)熱膠，還要改善導(dǎo)熱膠所接合的各種介質(zhì)的接口熱阻，例如磊晶與基板、基板與散熱模塊，如果在磊晶黏著時(shí)就以絕緣導(dǎo)熱膠在磊晶底部涂布，電路板與導(dǎo)熱鋁基板間也整體涂布絕緣導(dǎo)熱膠，再與散熱模塊黏合，就能徹底降低總體熱阻，讓LED的效率更為有效發(fā)揮。

西安麟字半導(dǎo)體照明有限公司雖然主要從事大功率LED照明產(chǎn)品研發(fā)及生產(chǎn)，但該公司在導(dǎo)熱材料上亦頗有研究。該公司的技術(shù)核心人物---光源設(shè)計(jì)總工程師魏漢麟所獨(dú)自設(shè)計(jì)生產(chǎn)的超高溫導(dǎo)熱銀膠便已獲得國(guó)家專利，由于這項(xiàng)技術(shù)成就，也就奠定了西安麟字半導(dǎo)體照明在大功率LED封裝及散熱技術(shù)的獨(dú)到之處。由魏漢麟領(lǐng)軍的西安麟字半導(dǎo)體研發(fā)團(tuán)隊(duì)為由多名回國(guó)留學(xué)生人員及20多名碩士研究生組成。

該公司所推出的「麟字照明」系列產(chǎn)品在LED照明的封裝和散熱技術(shù)方面頗有進(jìn)展，例如高亮度多芯片集成式封裝LED面光源，便具有高效光通量80LM/W、超大功率1W-200W,獨(dú)特的封裝技術(shù)可促成低光衰，絕佳的散熱技術(shù)設(shè)計(jì)則確保了長(zhǎng)壽命。由于研發(fā)有成，西安麟字產(chǎn)品目前已廣泛應(yīng)用于道路照明、隧道照明、工廠和礦山井下照明、室內(nèi)照明、景觀照明及廣告照明等領(lǐng)域，更遠(yuǎn)銷歐洲、美國(guó)、日本等地。

LED散熱技術(shù)新方向

除上述技術(shù)外，可以想見為解決散熱問題，產(chǎn)官學(xué)界仍將繼續(xù)探索相關(guān)技術(shù)，例如***工研院便積極研發(fā)奈米碳球散熱涂裝粉體（CNCThermal dissipate power coatingmaterials）技術(shù)。基本上，傳統(tǒng)的熱對(duì)流散熱方式，是透過增加表面積，然后用風(fēng)扇去吹，來達(dá)到散熱效果。不但散熱效果差，還需要另外再耗能，用電風(fēng)扇去促進(jìn)空氣對(duì)流，而此項(xiàng)新技術(shù)藉由靜電粉體涂布在金屬材表面，然后透過將熱轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽埽?a href="http://srfitnesspt.com/tags/紅外/" target="_blank">紅外線輻射的方式進(jìn)行散熱。工研院南分院奈米粉體與薄膜科技中心鐘豐元指出，目前測(cè)試下來，平均都可以降溫達(dá)6度以上。歡迎轉(zhuǎn)載，本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://srfitnesspt.com )

不可諱言，在節(jié)能減碳趨勢(shì)的帶動(dòng)下，LED照明已是不可檔的趨勢(shì)，而散熱技術(shù)的進(jìn)展更攸關(guān)普及的速度及范圍，可以想見，未來更新及更先進(jìn)的散熱技術(shù)將繼續(xù)出現(xiàn)，以推動(dòng)LED照明的全面到來。