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散热问题迎刃而解--LED矽基板封装之创新技术

2010-10-19 10:06
龙凰
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  传统上,LED使用陶瓷基板封装,但在需求量愈来愈大的高功率LED应用上,却会导致散热问题难解,采钰科技因而投入导热更佳的矽基板开发。该公司研发处长李豫华在论坛中详尽分析LED封装的散热问题和解决方案,并进一步说明晶圆级镜头和萤光粉涂布技术的优势。

  LED封装 散热是关键问题

  李豫华首先点出LED应用于照明市场时的封装需求,他表示,次世代照明的LED封装需求最重要的就是散热问题,估计热的问题5年内难解,其次需要强而有力的结构体和稳定可靠的材料。另外光的表现也很重要,像均匀性、光源强度、出光效率是否更优异、及光的型式表现。最后就是量产和成本方面的管理。

  LED封装在这30年的演进,最大的特色就是尺寸愈来愈小,因此热效应在输入驱动电流较高时,就凸显出来

散热问题迎刃而解--LED矽基板封装之创新技术

LED使用陶瓷基板封装可有效解决散热问题

  如果将LED与传统白炽灯和萤光灯相比较,LED产生20~25%的辐射能,并且全部是可见光,但会产生75~80%的热。白炽灯会产生95%的辐射能,其中90%以红外线释放出来照著人体,本身热则有限,只有5%。萤光灯产生的热则为41%。因此LED的散热问题最为重大。

  尤其现在高功率LED需求愈来愈大,当小颗LED放进去,将电源灌入,热量便会产生出来,为了要降低热,光的亮度就会减小,这时为了要增加亮度,又会导入更高的电流,高电流又会产生更多的热,如此成为一个循环,热量就不断增加。

  接合温度过高,导致的结果会是每升高20℃,LED效能就要降低5%(或每增加1℃,效能降0.25%),在100℃时,YAG萤光粉的发光效率会减少20~40%,并且在高温之下,使用寿命也会下降(每增加1℃即减少1,000小时),接合温度升高也会导致失效率增加。

  以传统LED来说,有90%的热都是向下走,因此封装技术中,散热十分重要。散热的重要性可以由下面的数据分析看出来,一般接合面的内部冷却采用传导方式,功率密度为3W/mm2,热向下走到外壳散热器的外部冷却机制,采用对流方式,若是自然对流,功率密度为750W/m2,强制对流的功率密度为7,500W/m2,内外相除得到自然对流需要4,000倍的面积去散热,强制对流则为400倍,因此可以看出导热的重要。

  热阻决定LED的寿命,Cree测得数据显示,接合温度每升1℃,使用寿命减1,000小时,若以每天5小时的使用计算,升1℃总共会减少6.5个月的寿命。

  材料特性

  可供选择的高功率LED次黏着基台(sub-mount)材料有陶瓷(氧化铝、氮化铝)和矽。其中,铝基板有翘曲问题,而且以导热系数和热扩散来看,矽是最佳选择(矽的热扩散系数为2.6~4.0 ppm/K,在三者中最小。热传导系数为140 W/m-K,远大于氧化铝,较氮化铝的180W/m-K略小,但若将2系数关连比较,则以矽最为优异)。

  矽基板的热阻抗可以低至5℃/W,氧化铝则为10~15℃/W。以矽的阻抗较陶瓷低4℃/W计,代表其使用寿命能够增加4,000小时。

  晶圆级封装技术

  矽基LED封装制程流程为:绝缘及金属层、芯片/金属线键结及萤光材料涂布、透镜组装,再进行切割与测试。使用矽晶圆方法可以借以控制穿孔型式(单一或多重),因而增加光萃取率,这是陶瓷基板所做不到的。

  采钰独家的IC制造兼容晶圆级萤光粉涂布技术Conformal phosphor coating,可以在LED芯片最上层造就薄而高效能的萤光粉出光层,一次光学设计时即可将黄晕现象改善。Conformal phosphor coating并可控制色温的一致性。

  半球形镜头为以光学设计方式增加出光率的方法之一,也是采钰独家设计的晶圆级产品,镜头设计符合各种出光形式的需求。此外,利用不同材料的折射率不同,由内而外愈来愈小,亦可控制出光路径使其出光率增加,此结构模式可改善出光率逾7%。

  藉由萤光粉补偿过程可以达到紧密的色温控制,因而良率可获得提升。原本低于70%的良率,经由补偿可以提升超过95%。

  实务上,采钰的LED矽基封装成品已经在多处导入,包括新竹科学园区的采钰总公司、大陆秦皇岛、大陆京渖高速公路匝道的LED路灯、新竹清华大学校园。

  LED矽基封装有许多技术上面临的挑战需要克服,例如材料方面,矽材有容易碎裂的缺点,且机构强度也是挑战。萤光粉需考量其电子亮度和热及湿阻抗。镜头的折射率及热稳定度、黏着性等都是考量点。结构方面,绝缘层、金属层都有其挑战。制程方面,萤光粉涂布技术、镜头设计也都是技术开发重点。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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