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。
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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