高功率LED用高散熱基板材料技術介紹 - 材料世界網

目前於市面上較常見的散熱基板共有四種，其中包括印刷電路板(PCB)、金屬基印刷電路板(Metal Core PCB ; MCPCB)、陶瓷基板(Ceramic Substarte)以及覆銅陶瓷 ... 首頁 文章瀏覽 隨著技術發展的日益進步，LED的亮度與發光效率已可達被接受的水平，並可應用於LCD的背光源、汽車頭燈以及路燈等。

然而，其功率消耗量與發熱量亦隨之提高，尤其是大幅提高的發熱量更是一嚴苛的挑戰，倘若無法迅速地將發熱量排除掉時，則將會引發LED的亮度下降以及加速元件的劣化，因此LED熱管理變得相當地重要。

散熱基板的優劣亦是LED熱管理的重要環節，本文將針對散熱基板的材料、技術與種類逐一作詳細介紹。

從市調單位的預估值可知悉，LED市場於2008年將可達56億美元，其最主要的成長動力將來自於：1.筆記型電腦的背光源；2.路燈；3.汽車頭燈等三大應用。

在筆記型電腦的LED背光源方面，由於LED可提供較高的色彩飽和度，可呈現更好的視覺效果；在機體上使之更為輕薄，便於攜帶；在省電特性上，又可提高電池的續航力，讓使用時間更加延長；此外，不含汞成分，亦符合環保訴求；在此諸多優點的催化下，迫使LED將全面取代CCFL，成為下一世代NB的最主要背光源。

新興市場如大陸，由於經濟起飛，對電能需求日益增大，有供不應求的窘境，因此對於LED路燈的需求更是迫在眉梢，相較於歐美更迫切與積極地推動LED路燈，因此看好大陸LED路燈市場，預估2008年大陸LED路燈市場將佔全球LED路燈市場5成以上。

LED導入汽車頭燈應用方面，國際車廠已將LED頭燈導入高階車款之中，如2007年TOYOTA於全球首推配備LED頭燈車款LexusLS600，Audi也將於2008年夏季車展中展出搭配LED頭燈的R8車款，台廠裕隆集團也預計2008年底推出搭配LED頭燈的本土汽車，並搭載於東風汽車上進軍大陸市場。

業界預估2007~2011年全球車用LED光源市場規模的年複合成長率約為13%，相較於2007年的6.7億美元，2011年車用LED光源全球產值將上看12億美元，滲透率可望將提升至8~9%。

高散熱基板的種類由上述知悉，LED市場於2008年的最主要成長動力將來自於筆記型電腦的背光源、路燈與汽車頭燈等三大應用。

而這些應用場合皆需利用高散熱基板來幫助LED散熱。

由此可見，高散熱基板的市場成長率將取決於LED，並值得令人期待。

目前於市面上較常見的散熱基板共有四種，其中包括印刷電路板(PCB)、金屬基印刷電路板(MetalCorePCB;MCPCB)、陶瓷基板(CeramicSubstarte)以及覆銅陶瓷基板(DirectBondCu;DBC)。

印刷電路板在此四類基板中，成本最為便宜，因而成為最常被選用的基板種類，然而散熱性能並不優異，往往需利用散熱導孔來增加其散熱性能。

圖一為LumiLeds與Cree公司針對Rebel與XLampLED所建議的散熱基板設計，兩者皆使用超過12個散熱導孔(ThermalVia)來增進導熱，雖熱導孔數越多恐會增加製造成本，但總成本仍舊比其他三種基板相較便宜。

散熱孔數量的多寡是如何決定的呢？以下作一簡略說明，散熱孔數量的多寡可藉由有限元素法計算而得，當散熱孔數量增加至某一數量時，其熱阻值不會再隨之降低，此數據是基於一維模型(1-D)的形況下計算而得，其誤差相對地會比較大，若再利用Circ.Fin或Circ.FinIncl.DieSpreading模型加以修正，則可獲得一精確的數據。

從實際的實驗數據亦可獲得印證，散熱導孔確實可以有效地降低熱阻值，只要利用8個散熱導孔，即可將熱阻值(Rj-b)從49.39~50.87K/W降低至27.84K/W。

圖一、PCB設計建議圖，針對(a)RebelLED；(b)XLampLED 金屬基印刷電路板(MCPCB)傳統的LED功率並不大，散熱問題也相對地不嚴重，因此，只要運用一般電子用的銅箔印刷電路板(FR4)即足以應付，但隨著高功率LED越來越盛行，此板已不足以應付散熱需求，因此，專業散熱材料製造商發展出內具金屬核心的印刷電路板，即所謂的MetalCorePCB，其技術核心在於將印刷電路板貼附在一金屬板上，以改善其傳熱路徑，如圖七所示，運用底部的鋁或銅等熱傳導性較佳的金屬來加速散熱，不過，MCPCB也有些限制，在電路系統運作時不能超過130°C，這個主要是來自介電層(DielectricLayer)的特性限制，此外在製造過程中也不能在260~300°C溫度區間過久，這在過錫爐前就必須事先瞭解。

圖七、MCPCB之結構圖 根據JMS資料顯示（如圖八），主要金屬基印刷電路板供應商於2005年的全球市佔率排名，依序為Bergquist、Sanyo、Denka、日本發條(NHK)與山岸(Fujitsu)公司，其前三大供應商的總和市佔率達70.3%，由此可知，Bergquist、Sanyo與Denka等公司於2005年主導此一高散熱基板的市場。

然而，時至今日，許多專業散熱材料供應商包括Larid與NRK亦相繼於投入於此市場並佔有一席之地。

談及Sanyo雖然為全世界第二大MCPCB供應商，但在台灣卻不易見到Sanyo的高散熱基板產品，其原由為Sanyo於今年4月才開始進行外銷；而目前市場上最常見的MCPCB板材大部分由遠碩(E-WinTek)、岱稜、Bergquist、NRK、Denka與Laird等六家公司製造生產。

其中，日本Denka公司為了拓展業務於去年與國內聚鼎公司簽訂議向書與業務合作協議書，將共同合作生產散熱軟板與基板，而Denka較希望聚鼎以生產散熱軟板為主，以利於開拓LCD-TV及NB市場。

另外，MCPCB板材的介電層材料組成與厚度將決定其MCPCB板材的剝離強度、崩潰電壓、熱導係數、操作電壓與不易分層等特性。

有鑒於此，介電層材料的組成與厚度扮演著關鍵的角色。

圖八、2005年主要金屬基印刷電路板供應商的全球市佔率排名 MCPCB板材的性能特徵直覺上，MCPCB板材只被視為一高散熱基板，只需考量其導熱係數之高低即可，其實不然，導熱係數之高低只評斷其散熱之性能而已，做為基板仍需考量其電器特性如崩潰電壓與其應用操作特性，如剝離強度、漂錫測試與爆板劣化時間等。

影響MCPCB導熱係數之高低的因素包括環氧樹脂的種類、無機填充物的種類與含量等。

其中，無機填充物的種類與含量影響其導熱係數之高低甚大，其相關數據可參考圖十一。

在崩潰電壓性能方面，影響其因子包括環氧樹脂的種類、無機填充物的種類與含量、介電層厚度等。

其中，以介電層厚度為最關鍵因子，介電層厚度越厚則其崩潰電壓值越高，然而雖然增加介電層厚度可獲得較高的崩潰電壓值，但也會伴隨著熱阻值的提升，因此，在於崩潰電壓與熱阻特性間需做一最佳化，進而決定出所需之介電層厚度。

在其應用操作特性方面，剝離強度、漂錫測試與爆板劣化時間等特性皆與環氧樹脂的種類與含量有關，尤其是環氧樹脂的含量為影響以上之特性最主要關鍵因子，當其含量越高則其剝離強度、漂錫測試與爆板劣化時間等特性越佳，但其導熱係數亦會因而下降，有鑑於此，在於導熱係數與剝離強度、漂錫測試與爆板劣化時間等特性間需做一最佳化之抉擇，進而決定出最佳固含量或環氧樹脂之含量。

圖十一、各種材料於不同含量下的熱導係數之關係圖 可能的競爭者厚膜製程材料供應商Dupont與Ferro相繼發表Thick-filmonMetal(TOM)技術如圖十五所示，首先將鋁板進行陽極處理，使其表面產生一氧化鋁層，讓鋁板成為絕緣體，之後將介電層網印至鋁板上再經烘烤，同樣地亦將導電銀膏印製在介電層再經烘烤，而後經燒烤程序即完成TOM。

此一技術的特色為低成本、高導熱係數與無需考量高分子的安全性等，與MCPCB相比確實頗具競爭性。

然而，由於投入此項技術的業者並不多，仍無法有效達到大量製造之規模，不像PCB產業生根台灣已久並已為全世界前三大生產地，因此目前為止TOM技術並無法對MCPCB產生威脅性。

圖十五、Thick-filmonMetal技術示意圖 金屬基印刷電路板確實可有效地幫助高功率LED散熱，因此扮演著一關鍵零組件之角色，甚至更有許多業者將金屬基印刷電路板做為封裝基板，直接將晶片封裝於金屬基印刷電路板上，其技術俗稱ChiponBoard(COB)，有鑑於此，金屬基印刷電路板於LED應用領域上將扮演著不可或缺的角色。

在此期許國內業者能在此市場佔一席之地，並擠入前五大供應商之列。

對於高功率LED用高散熱基板材料技術有興趣者，歡迎mail至[email protected] 作者：鄭景太★本文節錄自「工業材料雜誌261期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7178 加入會員 分享 轉寄 聯絡我們 延伸閱讀 熱門閱讀 碳化矽晶體材料技術發展 台灣高階PCB技術發展趨勢 次世代先進封裝技術：銅-銅異質接合機制 次世代半導體封裝受矚目，液狀感光性樹脂發揮「微實力」 國際碳定價趨勢與石化領導廠商低碳技術重點開發方向 相關廠商 金屬3D列印服務平台 名揚翻譯有限公司 大東樹脂化學股份有限公司 台灣大金先端化學股份有限公司 專家現場 更多