LED高功率设计中散热问题分析

随着LED照明的需求日趋迫切，高功率LED的散热问题益发受到重视，因为过高的温度会导致LED发光效率衰减；LED运作所产生的废热若无法有效散出，则会直接对LED的寿命造成致命性的影响，因此，近年来高功率LED散热问题的解决成为许多相关业者的研发标的。

对于大功率照明LED散热技术，各家公司可说是各显神通，例如台湾的光海科技便发展出‘COHS封装散热技术',光海科技是利用本身载板设计能力的优势，将LED直接封装在高导热性的铜基座上，铜的高导热性就如同散热器的角色，再加上以电路设计及自有工艺克服绝缘膜与铜材质间的附着性问题，便发展出所谓的COHS技术（ChipsOn Heat Sink），并已拥有47项COHS相关专利。

COHS散热技术前景可期

光海科技表示，该公司的'COHS散热技术’有别于传统COB封装方式，省去了芯片与基座间不必要的热阻材，且采用比铝的导热性更佳的铜做为基板，而针对60W以上的灯芯模块，更加入了均温板的概念，能将热能更快速地传导开来。整体而言，此技术的优点包括模块热阻低、容易控制结面温度、可提供量测结面温度的测试点、具低成本包装的结构、安装简易、散热效果佳等等。目前光海科技的产品已实际应用在山东省庆云县的LED路灯工程、北京市大兴区LED路灯工程及各式室内、室外照明等。

在日前于韩国产业技术大学中举办的新产品测试中，光海科技120瓦（W）模块的电极温度约为摄氏70度，其他公司60瓦等级模块的电极温度却高达摄氏150度，后者的功率未及光海产品一半，电极温度却高出许多，足见光海散热技术的优势。据了解，为求进军韩国市场，光海科技将投资1,000万美元于南韩京畿道建设产线。

COHS散热技术是采用铜基板，目前另一颇受注目的散热技术则是采用陶瓷基板，由陶瓷基板的成本颇具竞争力，且具有与半导体有接近的热膨胀系数与高耐热能力，能有效地解决热歪斜及高温工艺问题，因此。现阶段许多公司纷纷投入陶瓷基板技术的研发，例如同欣电子。

陶瓷基板散热

同欣电子总经理刘焕林便表示，LED陶瓷基板将是同欣电子未来的主要成长动能。该公司的产品为DPC陶瓷基板。现阶段较普遍的陶瓷散热基板种类共有HTCC、LTCC、DBC、DPC四种，其中，DPC（DirectPlateCopper）是将陶瓷基板利用真空溅镀镀上铜层，再利用显影工艺制造线路，其工艺结合材料与薄膜工艺技术，为近年最普遍使用的陶瓷散热基板。

基本上，LED散热基板主要分为金属与陶瓷基板。金属基板以铝或铜为材料，由于技术成熟，且具成本优势，目前为一般LED产品所采用。而陶瓷基板线路对位精确度高，为业界公认导热与散热性能极佳材料，是目前高功率LED散热最适方案，虽然成本比金属基板来得高，但照明要求的散热性及稳定性高于笔记本电脑、电视等电子产品，因此，包括Cree、欧司朗、飞利浦及日亚化等国际大厂，都使用陶瓷基板作为LED晶粒散热材质。

比较各种陶瓷散热技术，其中，HTCC（高温共烧多层陶瓷基板）属于较早期发展之技术，但由于其较高的工艺温度（1300到1600℃），使其电极材料的选择受限，且制作成本相当昂贵，目前渐渐被LTCC取代。此外，DPC陶瓷基板导热效果又优于低温陶瓷共烧（LTCC）与散热铝基板，因此DPC陶瓷基板散热技术近年颇受看好，同欣电子表示，该公司目前陶瓷基板仍供不应求，产能方面莺歌厂月产能30万片（每片为4寸×4寸，每片颗数为440到890颗（视设计而定），菲律宾厂月产能10万片，近期将有5万片新产能加入，整体而言，由于LED取代传统照明为未来趋势，因此同欣电子将长期获益自此一应用。

被动组件业者顺势跨入

看好陶瓷基板在LED散热的应用，大毅除被动组件与保护组件的制造外，于2010年更进一步投入LED散热基板市场；制造高功率LED散热基板，该公司是利用目前既有的专业保护组件黄光微影薄膜工艺以及精密电铸技术能力，加上由该公司自行研发的雷射切割凿孔设备，导入氧化铝以及氮化铝作为散热基板材料，纳入生产工艺开始进行量产，可满足LED产品封装的设计与散热需求。

大毅科技董事长江财宝表示，由于LED陶瓷散热基板的工艺与大毅现有的保护组件产品工艺相仿，并且在材料与设备上更是有许多相同之处，因此能利用原本保护组件使用的陶瓷基板工艺共通性，制造出高功率LED散热用陶瓷基板产品。他并指出，大毅科技推出的高功率散热基板已送各LED封装大厂认证，且将积极针对LED散热基板产品进行三大领域布局，一为晶粒封装市场，锁定亿光等LED封装大厂客户；其次为LED照明基板，第三为LED背光源基板。目前大毅在前两项领域已开始小量出货。

同样是从保护组件跨入LED散热基板的业者还有瑷司柏电子，该公司总经理庄弘毅表示，瑷司柏电子是由保护组件起家，成立于2009年6月，目前营运项目以精密陶瓷之线路设计为主、而主要工艺有薄膜散热基板、黄光微影等技术等。庄弘毅表示，海内外大厂为节省LED组件空间并兼顾线路保护的功能，多希望将保护组件直接建立陶瓷基板中，而不需要再额外添加保护组件，如防静电的二极管，而瑷司柏目前所研发的新产品，便是在线路设计时将保护组件放入，如此就不需额外置入，可大幅节省成本，且此种技术可将体积缩小，减少20%~30%的空间。此外，瑷司柏自行开发的多层导通孔结构增加了热传导的路径，可降低LED晶粒与陶瓷散热基板的热阻，更能有效提升LED发光效率。

庄弘毅进一步表示，瑷司柏电子研发团队累积十年年的薄膜组件开发经验，在去年已完成第三代薄膜专业代工的生产线，主推薄膜陶瓷基板作为LED晶粒的散热基板，可改善厚膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷对位的精准度等问题。整体而言，薄膜散热基板运用溅镀、电/电化学沉积，以及黄光微影工艺制作而成，具备以下特点：低温工艺（300℃以下），避免高温材料破坏或尺寸变异的可能性；使用黄光微影工艺，让基板上的线路更加精确；金属线不易脱落等特点，因此薄膜陶瓷基板适用于高功率、小尺寸、高亮度的LED。

除上述大毅及瑷司柏外，禾伸堂亦是从被动组件跨入LED陶瓷基板领域，该公司董事长唐锦荣表示，禾伸堂的陶瓷散热基板主要应用于高瓦数LED照明以及太阳能等领域，唐锦荣分析，因陶瓷与LED对热的膨胀幅度相同，陶瓷基板未来将广泛应用在LED散热，出货量可望有大幅成长。

据了解，禾伸堂因为拥有陶瓷及粉末技术的研发设备与工艺，因此在2003年跨入LED散热基板，主要使用「薄膜陶瓷基板」技术，不过由于LED散热基板通过国际大厂认证时间长，直到近期才有明显收获，目前LED散热基板月产能10万片，可贡献一年营收7到8亿元，未来会再发展至月产30万片。

LED照明模块整体散热

除了利用基板新技术强化散热效果外，LED照明模块的整体散热机能亦是另一重点。在此领域，建准电机已于今年推出LED灯具节能散热模块。建准电机三十年来专注马达核心技术，以自有专利技术深耕散热风扇、散热模块，并提供有关散热领域之有效整合解决方案。该公司表示，以节能减碳为产品设计重点的LED灯具节能散热模块，具有三大创新设计，即风扇双向运转的自动除尘设计、可防止热空气回流之专利阻隔环设计以及静音低于20Phon的宁静散热，为LED照明产业提供极佳的散热管理方案。该公司今年推出全新「One-module」概念的LED灯具散热模块，是将LED散热模块简化为标准品，一款散热模块可应用于多款LED灯具，可简化客户端的设计流程，并弹性应用于LED球灯、筒灯、MR16投射灯、LED路灯等各式LED灯具；目前此散热模块已出货至欧洲LED知名大厂。

同样看好LED照明市场，超众也是积极在LED灯具散热模块领域布局，该公司表示，LED路灯散热模块在去年出货2万盏，今年出货量维持水平，明年市场则颇为看好。超众总经理吴惠然指出，现阶段业界传出LED路灯故障，多因散热问题无法解决，事实上散热模块是由金属结构所组成，其材质皆为铜铝等五金件，并透过本身之热传导设计与散热原理，将热能排放至环境中，进而达成热平衡，无需再藉助其它额外动力即可发挥散热功效，所以当LED散热模块通过测试之后，即不容易再有问题发生。他并认为随着LED售价日趋降低，势必将于未来取代传统照明灯具，LED散热模块也将日趋重要，超众将持续经营此市场区隔。

导热化学材料

如上所述，LED朝着高功率发展已是必然的趋势，导热、散热相关问题的解决也就势在必行，解决此类问题的途径相当多元，除前面所列举的方式外，冠品化学则是以化学品角度切入。冠品化学研发部主管叶圣伟表示，为协助LED业者解决散热问题，近年来冠品化学以总体热阻的概念，研发出一款新型LED绝缘导热胶，该项产品配合散热型LED白色背光油墨，不但能协助业者降低至少50%到70%的成本，更因为其热阻值低于0.6c㎡K/W,能快速有效排除热能，让LED光能转换更有效发挥。

叶圣伟表示，LED产品热阻要降低，不仅仅是要用对导热胶，还要改善导热胶所接合的各种介质的接口热阻，例如磊晶与基板、基板与散热模块，如果在磊晶黏着时就以绝缘导热胶在磊晶底部涂布，电路板与导热铝基板间也整体涂布绝缘导热胶，再与散热模块黏合，就能彻底降低总体热阻，让LED的效率更为有效发挥。

西安麟字半导体照明有限公司虽然主要从事大功率LED照明产品研发及生产，但该公司在导热材料上亦颇有研究。该公司的技术核心人物---光源设计总工程师魏汉麟所独自设计生产的超高温导热银胶便已获得国家专利，由于这项技术成就，也就奠定了西安麟字半导体照明在大功率LED封装及散热技术的独到之处。由魏汉麟领军的西安麟字半导体研发团队为由多名回国留学生人员及20多名硕士研究生组成。

该公司所推出的「麟字照明」系列产品在LED照明的封装和散热技术方面颇有进展，例如高亮度多芯片集成式封装LED面光源，便具有高效光通量80LM/W、超大功率1W-200W,独特的封装技术可促成低光衰，绝佳的散热技术设计则确保了长寿命。由于研发有成，西安麟字产品目前已广泛应用于道路照明、隧道照明、工厂和矿山井下照明、室内照明、景观照明及广告照明等领域，更远销欧洲、美国、日本等地。

LED散热技术新方向

除上述技术外，可以想见为解决散热问题，产官学界仍将继续探索相关技术，例如台湾工研院便积极研发奈米碳球散热涂装粉体（CNCThermal dissipate power coatingmaterials）技术。基本上，传统的热对流散热方式，是透过增加表面积，然后用风扇去吹，来达到散热效果。不但散热效果差，还需要另外再耗能，用电风扇去促进空气对流，而此项新技术藉由静电粉体涂布在金属材表面，然后透过将热转变为光能，以红外线辐射的方式进行散热。工研院南分院奈米粉体与薄膜科技中心钟丰元指出，目前测试下来，平均都可以降温达6度以上。

不可讳言，在节能减碳趋势的带动下，LED照明已是不可档的趋势，而散热技术的进展更攸关普及的速度及范围，可以想见，未来更新及更先进的散热技术将继续出现，以推动LED照明的全面到来。