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大流明LED街灯的新散热解决方案2012-02-03 中心议题：大流明LED街灯的新散热解决方案 解决方案：慎选散热基板材质及导热胶 倒装片和共晶可有效降低热阻 风扇散热 向下散热、强制散热及液态散热等新散热技术 散热模块漆料选择 提高LED转换效率 受限于技术，LED目前的转换效率仍为两成左右，也就是说有高达八成的电能会转换成热能，因此散热问题始终是LED照明面临的重要挑战。尤其LED发光热能是集中于小范围，因此在电力输入功率较大的路灯应用中，LED接口温度相当高，再加上路灯为长时间持续工作，热能的产生更为可观，因此若散热模块不能有效散热，LED街灯便会出现严重的光衰现象，导致使用寿命大幅缩短。随着中国大陆近年力推十城万盏半导体照明应用工程政策，LED街灯装设数量迅速增多，LED街灯光衰问题更为突显。LED光衰现象和散热效能息息相关，为有效达成散热目的，相关业者纷纷循各种途径寻求解决之道。就整体的散热设计来看，散热基板材料与LED晶粒封装方式极为关键。首先，LED散热基板的运作方式为利用散热基板材料本身的热传导性，将热源从LED导出，而从LED散热途径来看，又可将LED散热基板细分为LED晶粒基板与系统电路板两大类，此两种散热基板分别承载着LED晶粒与LED芯片。其中，LED晶粒基板主要是作为将LED晶粒的热能传导至系统电路板的的媒介；系统电路板则是负责将热能传导至散热鳍片、外壳或大气中的材料。慎选散热基板材质及导热胶瑷司柏电子工程师游慧茹指出，在系统电路板散热这个部分，早期LED产品的系统电路板多以PCB为主，但随着LED街灯应用等高功率LED需求的增加，PCB材料的散热能力不足以应付，因此业界已发展出高热导系数铝基板（MCPCB），主要是利用金属材料散热较佳的特性达到高功率产品散热的目的。除了散热基板的材料需要注意外，铝基板黏合使用的导热胶也必须慎选。冠品化学研发部副总经理叶圣伟博士指出，部分厂商以为导热胶膜或导热胶垫越厚越好，却忽略越厚则热阻越大。再者，导热胶膜或软质导热垫片并无法与基板真正密合，存在于贴合面的许多孔隙是另一种形式的热阻质。综合这些因素，散热导热的效率将有所降低，需用对导热胶才能降低热阻。他指出，网印施工的软陶瓷导热胶为软质半液态，在网印机刮刀涂布于铝基板时，导热粒子会渗入基板表面的孔隙并予以填满，进而形成完全平整且无孔隙的平面，与LED晶粒载板黏合时会完全密合，如此就能减少热阻，热度可迅速被传导出去，LED晶粒环境温度随之降低，LED街灯的光衰现象自然得以延缓发生。他并强调，网印施工的软陶瓷导热胶具有延展性，在高温烘烤或回焊时，会随着铝基板的热胀冷缩一起变化，应力非常小，因此不会造成铝基板弯曲，甚至是爆板。不过，游慧茹特别指出，尽管系统电路板能将LED芯片所产生的热有效散热至大气环境，但是首先是LED晶粒所产生的热能必需有效的从晶粒传导至系统电路板，否则，随着LED功率的提升，整体LED的散热瓶颈将出现在LED晶粒散热基板。目前市面上LED晶粒基板主要以陶瓷基板为主，依线路备制方法不同略可区分为厚膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷，以及薄膜陶瓷基板三种，其中薄膜陶瓷基板为相对较新的技术，可有效满足倒装片（Flip Chip）封装方式所要求的布线精确度与烧结收缩比例问题。倒装片和共晶可有效降低热阻上述倒装片封装方式为现阶段降低LED热阻的重要技术趋势。除能降低热阻外，倒装片封装LED拥有颜色与光一致性优势，而这是下游系统商采购LED的关键指标，因此吸引不少LED业者投入开发，包括Philips Lumileds、科锐、欧司朗光电半导体（OSRAM Opto Semiconductors）及美商旭明光电（SemiLEDs）。据了解，Philips Lumileds是采用金锡共融焊锡（AuSn Eutectic Solder）的方式，在假设该方案金锡覆盖面积达25%的情况下，热阻可达0.16/W.科锐、欧司朗光电半导体（OSRAM Opto Semiconductors）及美商旭明光电（SemiLEDs）则分别采用硅（Si）、铜（Cu）基板开发垂直式芯片。Philips Lumileds台湾资深技术支持经理黄珩春强调，倒装片封装与传统绑晶封装制程所使用的机台不同，再加上设备投资金额偏高，以及缺乏专利技术，因此现阶段实际有能力出货的LED厂商寥寥可数。他并指出，Philips Lumileds已发表可实现挣脱分档藩篱（Freedom From Binning）理念的倒装片封装技术LED系列产品，结合该公司专有的薄型倒装片（TFFC）技术和Lumiramic荧光粉片技术，达成LED光与颜色的一致性。另外，在降低LED晶粒热阻方面，值得注意的还有共晶（Die Bonding）技术的选择。根据大毅科技LED散热研发团队指出，现有的固晶方式主要有银胶固晶及共晶（Eutectic）焊接法两种，前者较常见但仅适用于低功率模块，共晶焊接法则不但可提高固晶强度及导热系数，还可配合倒装片技术将LED晶粒整体热阻下降到银胶制程的20-40%.高亮度LED共晶制程多以8:2比例的金锡合金（Au-Sn Alloy）作为芯片底部焊料，再将芯片放置于镀有金或银的基板上，加热至共晶温度，使基板表面的金或银与金锡合金相互扩散，进而改变合金成份以提高融点，使共晶结构固化以达到固晶的目的，利用此方法所固晶的芯片推力远大于使用银胶固晶，因此应用于高功率LED时会有更佳的可靠度表现。然而共晶技术的操作温度高达320，需特别考虑选用芯片、基板等材料耐热程度。此外，芯片下平整的金锡合金层只有3m厚，所以除了共晶固晶机台需要有高位置精度外，另一重要固晶条件就是基板表面粗糙度（Ra）与高低差（PV）要低，针对这些需求，大毅科技已导入抛