高功率LED的散热设计与应用趋势分析

文章摘要：改善热阻强化LED散热效率讨论LED散热效率前需先理解热阻(thermal resistance)问题，热阻是物体对热能传导的阻碍程度，在单位表示上为℃/W，检言之就是针对一个物体传热功率为1W，而导热物件两个端点的温度差异，即为该物件的热阻值，至于检视LED的热阻，则是讨论在LED开启发光后，当LED元件内的晶粒热量传导趋于稳定时，在芯片的表面以每1W进行散逸，在LED的晶粒P/N结点的联机或散热基板间的温度差异，就成为LED的热阻。影响LED元件热阻的因素很多，例如，LED的晶粒线路连接方式、架构，到光学覆盖层的材料特性，都会影响LED热阻值，而降低LED也是提升元件寿命的重要手段。此外，

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　　改善热阻强化LED散热效率

　　讨论LED散热效率前需先理解热阻(thermal resistance)问题，热阻是物体对热能传导的阻碍程度，在单位表示上为℃/W，检言之就是针对一个物体传热功率为1W，而导热物件两个端点的温度差异，即为该物件的热阻值，至于检视LED的热阻，则是讨论在LED开启发光后，当LED元件内的晶粒热量传导趋于稳定时，在芯片的表面以每1W进行散逸，在LED的晶粒P/N结点的联机或散热基板间的温度差异，就成为LED的热阻。

　　影响LED元件热阻的因素很多，例如，LED的晶粒线路连接方式、架构，到光学覆盖层的材料特性，都会影响LED热阻值，而降低LED也是提升元件寿命的重要手段。此外，象是LED晶粒是采导热胶或金属直接相连，都会影响LED热阻大小。

管状与平板状的LED灯具设计，在主/被动散热机制都是延长寿命的关键

　　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。

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