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綠能新趨勢專欄─中高功率LED應用普及,散熱技術成關鍵 光頡科技高精密度元件技術延伸至LED散熱基板產業 by 2010/11/25-陳瑋洋

伴隨著節能議題興起,LED技術及應用層面越來越成熟,從中/高功率LED需求大量提升的現況觀察,如今將要被廣泛應用於生活各種層面上,雖說2009年前LED在照明應用僅佔2%左右,並且都是以可攜式及裝飾燈具為主要市場,但預估在2013年LED照明應用將跨足到一般的生活照明應用,將達到約12.5%比例,成長超過5倍!可以說是進入了產業起飛期,更別說背光的應用,未來成本將會逐漸降低,效能大幅提升!

LED應用即將來到全新的階段,並在中/高功率上的LED應用將會越來越廣泛(目前LED功率已經達到10W以上),而影響中高功率LED發光效能及使用壽命的關鍵,就是在於散熱技術的重視與否,因此,不論是封裝或是材料上都成為相當重要的課題。


LED產業界的Moore定律

根據Roland Haitz的表示,LED幾乎每18∼24個月就能提升1倍的發光效率,因此推估2013年將會再成長到20倍亮度,但價格將只有現在的1/10。所以對於市場的環境可以預測到,當亮度效率提升,高功率的LED產品規格要求下,散熱效率問題將逐步浮上檯面,成為各大業者必需客服的重要關鍵。

影響LED散熱的主要因素有LED晶粒、晶粒載板、晶片封裝及模組的使用的材質與線路設計,除晶粒外,散熱材料及封裝的技術影響整體高達7成以上。

以下將訪問到光頡科技工程經理何鍵宏博士,針對在高功率LED時代來臨,在散熱技術的部分該如何因應各種不同的狀況的提供最佳解決方案,何經理談到LED在電轉光的部分,大部分的電能會轉成熱能浪費掉,而熱能這部分又是會造成LED光衰、導致其亮度降低及壽命減短,而大功率LED的應用在一開始就是應用在路燈及戶外大型照明燈具等較惡劣環境,其惡劣環境(風吹、雨打加上日曬、雨淋,早晚溫差也會對其造成影響)加上長時間使用(與可攜式應用光源比較相差甚多),因此在實際使用情況下,散熱的功率(高功率)以及封裝的技術(環境惡劣)就成為了開發相關產品首頁客服的關鍵因素。


散熱為節能省碳風潮下受關注的技術

而在1992年1顆LED的熱阻抗(Thermal Resistance)為360℃/W,隨之技術提升從125℃/W、75℃/W、15℃/W,而到目前每顆6℃/W∼10℃/W,也就是說以往LED每消耗1瓦的電能溫度就會增加360℃,現在則是相同消耗1瓦電能,溫度卻只上升6℃∼10℃,這也是意味著,在全球面對節能減炭要求下,因應LED應用日漸增加在科技創新及環保意識下將會是同等重要。


LED封裝的材料所累積的熱能多是以熱傳導方式導出,因此LED晶片封裝的設計及材質就成為影響散熱效率的關鍵主因。

LED散熱封裝方式有幾種,一種為導線架+射出成型+固晶打線+灌膠方式,但由於無法熱電分離,導致散熱途徑不佳,累積過多熱能讓晶片無法維持在較低溫狀態下運作,造成光衰現象產生、並且影響使用壽命。

現有技術的晶粒基板可使用熱導係數較高的氧化鋁、氮化鋁材料,而電路基板也從現行的MCPCB也朝向改為陶瓷基板為主,並且在更高功率的應用需求下,高導熱係數的材料就會是未來發展目標。光頡何博士提到,像是光頡就是以高功率需求切入,提供以薄膜製程技術的氧化鋁及氮化鋁基板來進行相關規格開發,搭配客戶客制化需求,提供批量樣品測試的高服務精神。

散熱材料演進 逐漸以高導熱係數為主流

先從散熱材料來談,目前有幾種材料選擇,以MCPCB的基板部分為例,由於MCPCB需增加絕緣層(陶瓷基板本身已經絕緣),所用的絕緣材熱膨脹係數過高,在溫度太高時會產生龜裂。有相關的討論也指出,導熱膠膜或軟質導熱墊片,是沒辦法真正與基板密合的,貼合面其實仍存在許多孔隙,在電子顯微鏡下觀看這些孔隙,就像是空洞的氣穴,也是形成另一種形式的熱阻質!在那麼多空洞干擾熱傳導的熱阻下,散熱、導熱的效率就降低了。

反觀陶瓷材料的可陣列封裝,可應用於高電壓、高溫度製程,有著良好的熱膨脹匹配係數,加上陶瓷不易變形,是最佳的散熱基板選擇。在材料中,以氧化鋁和氮化鋁為最佳選擇,前者因為價格較為低、導熱係數佳、材料穩定性高,成為中階功率(1~3W)主流應用。氮化鋁則是有著更加高的熱傳導係數,成為高階功率(3W以上)的需求品。或者有其他的取代材料,相信這都是大家所樂見的。

從封裝考量上來看,於第1階的LED晶粒封裝散熱基板因為直接受到晶粒的熱能傳遞,大家會考慮使用陶瓷材料基板做最佳的熱傳導規劃。而第2階的多顆LED模組電路基板封裝(COB) ,則因為散熱面積大且溫度以降低而考慮成本較為低的MCPCB。不過,舉例來說,日前由大陸所喊的[十城萬盞]計畫,很多廠家前仆後繼搶進後,發現LED路燈盞在一般的使用下需要至少2年的保固期與壽命,如果使用MCPCB,除目前在歐洲的安規無法通過外,也因為絕緣電壓不夠,導致長時間開啟與並經過室外冷/熱季節交替的溫差影響,很容易就導通了!產品無法運作而導致需要維修甚至賠償,額外浪費的成本及人力、物力都是十分費時費力。(絕緣阻抗值比較:MCPCB 2KV/mm、氧化鋁14KV/mm、氮化鋁20KV/mm)


市場應用需求可分為二大方向

1.中低功率市場使用FR4及MCPCB材料,其熱傳導係數0.36~2.2W/mK、膨脹係數13~23ppm、操作溫度140℃以內、製程溫度250~300℃。

2.高功率市場使用陶瓷基板,以光頡製作的針對高功率使用的薄膜型陶瓷散熱基板來說,其熱傳導係數氧化鋁為24~30W/mK、膨脹係數7.2ppm;氮化鋁170~220W/mK、膨脹係數4.9~5.6ppm,操作溫度可達800℃以內、耐高溫、抗腐蝕、物理特性穩定。

在目前的市場因應需求下,基板廠提供的不只是薄膜技術能力,或是否能提供適合高功率的材料鋁基板,而光頡科技應用在高階精密零組件的薄膜製程能力,生產用於半導體製程的微影對位方式製作薄膜型陶瓷散熱基板,提供極度精準的線路設計。並從製造電子零組件的產業經驗當中,累積豐富的經驗來提供適合SMD封裝的產品樣式,並提供完全客製化需求服務,從設計、測試、量產提供一貫性的服務。

光頡科技行銷經理余英妮提到,光頡從薄膜製程技術運用在製作高精密度的被動元件(電感、電阻)上已經長達8年時間及經驗,並獲得多項肯定,而目前運用此核心技術開發出以全製程爲客戶來打造量身訂製的LED散熱基板,並取得多項改良之專利權,將使用半導體薄膜技術觀念,透過陶瓷基板的高散熱特性與LED晶片構裝及微細電路布線設計,提供可使金屬導線緊密接合於陶瓷基板且線路更精準之產品,隨著LED應用領域漸增,逐步擴大市場需求。

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  • aqmaple
  • 去年EPS/光頡 今年EPS拚4.5元

    薄膜電阻廠光頡(3624)將於3月16日以每股40元掛牌上櫃,總經理魏石龍表示,今年除薄膜元件產品穩定成長,並成功切入汽車零組件市場外,同時布局發光二極體(LED)散熱基板和保護元件領域,成為未來營運成長的三大動能。

    光頡專攻精密電阻、高頻電感及一般電阻,昨(25)日召開上櫃前法說會。魏石龍指出,光頡以半導體薄膜製程為核心技術,主要產品為精密元件、高頻元件與整合性元件,產品應用範圍包括4C(電腦、消費性、通訊、汽車)、醫療電子等。光頡雖為被動元件晶片電阻廠之一,但產品線與國巨(2327 )、大毅(2478)、華新科(2492)等大宗規格的電阻廠不同,相似度較高的是台達電(2308)旗下的乾坤,國際競爭對手則為美商Vishay和日商Susuma。

    展望第一季,法人預期,光頡2月營收難免受到春節長假因素干擾,但整體第一季下滑幅度相當有限,雖光頡尚未公布去年全年財報,但以前三季每股稅後純益已有2.68元來看,法人預估,去年全年EPS應會超過3.5元,今年挑戰4.5元以上。