散熱基板隨著線路設(shè)計(jì)、LED種類及功率大小有不同的設(shè)計(jì)，而產(chǎn)品的可靠性與價(jià)格是決定散熱設(shè)計(jì)最重要的規(guī)范。散熱基板主要的功能是提供LED所需要的電源及熱傳遞的媒介，1個(gè)好的LED散熱板是能夠把80%-90%的熱傳遞出去，這樣的散熱板就是好的基板。

　　另外1個(gè)功能是能夠增加LED底部的面積，這樣可以使熱更快的先后傳導(dǎo)更快的均勻散開。由于傳統(tǒng)的印刷電路板熱傳導(dǎo)系數(shù)低(大都在0.5W/mK以下，且僅能利用增加散熱用的通孔有限度地改善散熱，已經(jīng)逐漸在高功率LED的散熱市場(chǎng)中消失。

　　如果需要有1個(gè)基礎(chǔ)概念，則一般散熱基板的基本設(shè)計(jì)，大多由銅箔電路/陶瓷粉末和高分子/鋁基板組成，其中陶瓷粉末和高分子材料是其主要組成部分，陶瓷粉末扮演的是導(dǎo)熱的功能，高分子主要扮演的是可靠度以及把電路層、散熱的絕緣層和鋁板3個(gè)結(jié)合在一起的重要角色。由于高分子本身不導(dǎo)熱，其實(shí)熱主要是通過陶瓷粉末向后面的鋁板傳遞的，所以需要在有限的空間里塞入更多的陶瓷粉增加其導(dǎo)熱性。

印刷電路板也有增強(qiáng)導(dǎo)熱的設(shè)計(jì)，不過針對(duì)高熱度的新一代LED，散熱效率已經(jīng)漸漸無法應(yīng)付。(Laird Technologies)

　　金屬基板為目前最普及的高功率LED散熱基板

　　高功率LED封裝方式大致有金屬為核心的金屬基板(MCPCB)、金屬絕緣基板(IMS)等，前者是將原有的印刷電路板(PCB)貼附在另外一種散熱效果更好的金屬上，用來提升散熱效率，且這片金屬是安置在印刷電路板內(nèi)。后者是將高分子絕緣層及銅箔電路以環(huán)氧樹脂黏接方式直接與鋁或銅板接合，之后再將LED配置在絕緣基板上。也有直接讓LED底部的散熱通過PCB上穿孔的作法，此方式系直接與金屬核心接觸并加以散熱。

　　由于金屬基板具有較大的熱傳導(dǎo)系數(shù)(單位W/mK，鋁：170、銅：380、氧化鋁：20-40、氮化鋁：220，后兩者主要應(yīng)用在陶瓷基板)，再加上量產(chǎn)良率的提升，因此成為目前高功率LED散熱基板的主流。此外，由于金屬基板具加工性、不易碎、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展上更具潛力。

　　為了強(qiáng)化散熱效果，目前針對(duì)絕緣層的材料，也從早期散熱不佳的樹酯(導(dǎo)熱系數(shù)0.5W/mK)，進(jìn)一步添加散熱好的氧化鋁粉或其它金屬氧化物，使導(dǎo)熱系數(shù)提高至1~6W/mK，甚至以陽(yáng)極氧化膜(20W/mK)或鉆石膜(400W/mK以上)取代。不過這部份尚面臨頗多的挑戰(zhàn)，例如如何使制造成本降低及提升絕緣材料的可靠度。

　　甚至不少改良后的金屬散熱基板結(jié)構(gòu)，利用熱電分離的設(shè)計(jì)，想辦法把散熱途徑中的絕緣層移除，改用新一代導(dǎo)熱膠(導(dǎo)熱系數(shù)1~2W/mK)或錫合金(導(dǎo)熱系數(shù)約50W/mK)的效能，且能夠使LED底部與金屬片結(jié)合，大大改善界面導(dǎo)熱性能，不過此技術(shù)無法完全普及，因?yàn)檫@種金屬基板并不適用底部具有電極性的LED。

　　散熱基板的制造主要包括干式連續(xù)制程和濕式制程，前者在高溫下連續(xù)制程生產(chǎn)。后者則是把陶瓷粉末和高分子材料用溶劑混合制成。濕式制程的技術(shù)較簡(jiǎn)單，且在材料的控制上比較容易。但相對(duì)的濕式制程用印刷的方式布在鋁板上面最后通過干燥制程把溶劑揮發(fā)出來，制作過程中溶劑會(huì)揮發(fā)到空氣當(dāng)中會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，并且如果溶劑沒有除干凈會(huì)出現(xiàn)散熱基板可靠度上的問題。

　　除了硬式金屬基板，亦有可彎曲金屬基板的出現(xiàn)，原來是為了應(yīng)用在汽車導(dǎo)航的LCD背光模塊薄形化需求，以及高功率LED可以完成立體封裝的要求而開發(fā)，在設(shè)計(jì)上，可彎曲基板以鋁為材料，利用鋁的高熱傳導(dǎo)性與輕量化特性，制成高密度封裝基板，透過鋁質(zhì)基板薄板化后，達(dá)到可彎曲特性，并且也能夠具高熱傳導(dǎo)特性。

　　具有高熱傳導(dǎo)性能的可彎曲基板，是在絕緣層黏貼金屬箔，雖然基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)彎曲基板完全相同，不過在絕緣層方面，采用了軟質(zhì)環(huán)氧樹脂充填高熱傳導(dǎo)性無機(jī)填充物，因此具有8W/mK的高熱傳導(dǎo)性，同時(shí)還兼具柔軟可彎曲、高熱傳導(dǎo)特性與高可靠性。

　　金屬系封裝基板的缺點(diǎn)是基材的金屬熱膨脹系數(shù)非常大，與低熱膨脹系數(shù)陶瓷系芯片組件焊接時(shí)情形相似，容易受到熱循環(huán)沖擊，如果高功率LED封裝使用氮化鋁時(shí)，金屬系封裝基板可能會(huì)發(fā)生不協(xié)調(diào)的問題，因此必須設(shè)法吸收LED模塊各材料熱膨脹系數(shù)差異造成的熱應(yīng)力，藉此緩和熱應(yīng)力進(jìn)而提高封裝基板的可靠性。

　　陶瓷基板未來最被看好成為主流散熱基板

　　用陶瓷材料加上黏結(jié)劑燒結(jié)而成的陶瓷基板，具有散熱性佳、耐高溫與耐潮濕等優(yōu)點(diǎn)，成為高功率LED散熱基板的首選材料。但是由于價(jià)格高出傳統(tǒng)基板數(shù)倍，因此基本上至今仍然不算是市場(chǎng)主流的散熱型基板。目前陶瓷基板主要的應(yīng)用市場(chǎng)為要求輕薄短小的可攜式產(chǎn)品，例如筆記本電腦、無線通訊模塊等。

　　陶瓷基板的產(chǎn)品依照材料主要可分為兩類，包括Al2O3(氧化鋁)與AlN(氮化鋁)，就技術(shù)門坎性而言，以氮化鋁高，氧化鋁較容易，因?yàn)榈X的導(dǎo)熱性雖遠(yuǎn)優(yōu)于氧化鋁，但是原料必須經(jīng)由化學(xué)合成。全球氧化鋁陶瓷基板供應(yīng)廠商，主要掌控在日系廠商，臺(tái)灣則有九豪與禾伸堂等。但臺(tái)廠由于需要進(jìn)口氧化鋁粉等原料，生產(chǎn)成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)有限，因此未來應(yīng)考慮開發(fā)原料礦源與生產(chǎn)技術(shù)。

　　不過氧化鋁的導(dǎo)熱特性與效能僅差強(qiáng)人意，為了取代氧化鋁，研究機(jī)構(gòu)與廠商積極找尋替代材料，除了前述的氮化鋁，還包含了硅基板、碳化硅基板、陽(yáng)極化鋁基板等等，其中硅及碳化硅基板之材料半導(dǎo)體特性，使其現(xiàn)階段發(fā)展較嚴(yán)苛，而陽(yáng)極化鋁基板則因其陽(yáng)極化氧化層強(qiáng)度不足而容易因碎裂導(dǎo)致導(dǎo)通，這也是現(xiàn)階段為何大都采用較成熟且接受度較高的以氮化鋁作為散熱基板的原因。

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　　LED陶瓷基板依其線路制作方法可區(qū)分為厚膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷、以及薄膜陶瓷基板3種，厚膜陶瓷基板乃采用網(wǎng)印技術(shù)生產(chǎn)，藉由刮刀將材料印制于基板上，經(jīng)過干燥、燒結(jié)、激光等步驟而成;低溫共燒多層陶瓷技術(shù)，以陶瓷作為基板材料，將線路利用網(wǎng)印方式印刷于基板上，再整合多層的陶瓷基板，最后透過低溫?zé)Y(jié)而成;薄膜散熱基板乃運(yùn)用濺鍍、電/電化學(xué)沉積、以及黃光微影制程制作而成。

　　薄膜陶瓷基板特別值得一提，其興起的原因，除了陶瓷基板本身的材料特性問題須考慮之外，LED對(duì)基板上金屬線路的線寬、線徑、金屬表面平整度與附著力的要求與日據(jù)增，使得以傳統(tǒng)厚膜制程備制的陶瓷基板逐漸不敷使用，例如厚膜制程大多使用網(wǎng)版印刷方式形成線路與圖形，因此，其線路圖形的完整度與線路對(duì)位的精確度往往隨著印刷次數(shù)增加與網(wǎng)版張力變化而出現(xiàn)明顯的累進(jìn)差異，此結(jié)果將影響后續(xù)封裝制程上對(duì)位的精準(zhǔn)度，且組件持續(xù)縮小，網(wǎng)版印刷的圖形尺寸與分辨率亦有其限制。

　　薄膜技術(shù)的導(dǎo)入正可解決上述線路尺寸縮小的制程瓶頸，結(jié)合高真空鍍膜技術(shù)與黃光微影技術(shù)，能將線路圖形尺寸大幅縮小，并且可同時(shí)符合精準(zhǔn)的線路對(duì)位要求，其各單元的圖形尺寸的低差異性(高均勻性)更是傳統(tǒng)網(wǎng)版印刷所不易達(dá)到的結(jié)果。

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　　由厚膜與薄膜產(chǎn)品成本結(jié)構(gòu)來看，薄膜產(chǎn)品的制程設(shè)備(黃光微影)與生產(chǎn)環(huán)境(無塵或潔凈室)，以及整合材料開發(fā)門坎，如曝光、真空沉積、顯影、蒸鍍(Evaporation)、濺鍍(Sputtering)電鍍與無電鍍等技術(shù)相較于厚膜產(chǎn)品其成本較高，然而薄膜制程的金屬線路多以厚銅材料為主，相較于厚膜印刷之厚銀而言，材料成本卻相對(duì)較低，因此，可預(yù)期的當(dāng)利用薄膜制程將陶瓷基板金屬化的產(chǎn)品，日漸達(dá)到經(jīng)濟(jì)規(guī)模時(shí)，其成本將逐漸趨近于厚膜產(chǎn)品。

　　但最佳化的路線制作方式搭配材料，即以薄膜制程備制的氮化鋁基板，大幅加速了熱量從LED芯片經(jīng)由基板材料至系統(tǒng)電路板的效能，因此降低熱量由LED芯片經(jīng)由金屬線至系統(tǒng)電路板的負(fù)擔(dān)，達(dá)到高熱散的效果。

薄膜氧化鋁陶瓷基板。(ICP TECH)

　　薄膜氮化鋁陶瓷基板。(ICP TECH)

　　新材料與新涂料

　　高性能、創(chuàng)新性封裝材料技術(shù)已是LED產(chǎn)品不可或缺的核心技術(shù)，美、日等國(guó)皆已積極投入這方面的研發(fā)工作。除樹脂、金屬與陶瓷可做為基板材料外，石墨與鉆石等也是今年來相當(dāng)受到關(guān)注的材料。石墨屬于一種軟性礦物，具有平面型二維結(jié)構(gòu)，水平方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)高達(dá)1,500W/mK，但垂直方向則在6-60W/mK之間，差異相當(dāng)大。

　　為改善垂直方向的熱傳效果，必需采用特殊的基板結(jié)構(gòu)，例如結(jié)合石墨材料與樹脂方面的技術(shù)，將原本天然石墨二維平面結(jié)構(gòu)，改良發(fā)展出三維熱傳熱特性的石墨散熱板。其原理系利用許多層薄型石墨片上膠與迭層，膠合再熱壓成型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用相同體積的鋁、銅與石墨三種基板應(yīng)用于發(fā)熱裝置的冷卻實(shí)驗(yàn)，前兩者的熱傳導(dǎo)率分別為237與376 W/mK，但石墨達(dá)到460W/mK，且石墨基板也是三者中重量最輕的散熱材質(zhì)。

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　　鉆石則為現(xiàn)有材料中硬度最高，散熱最快，也最耐蝕的材料，因此也被一些廠家選為未來基板的研發(fā)素材。例如結(jié)合鉆石與銅鍍膜的鉆石散熱印刷電路基板，能夠針對(duì)熱點(diǎn)產(chǎn)生的熱量在瞬間擴(kuò)散，高效能的將熱導(dǎo)至外界環(huán)境，可應(yīng)用于高功率光電的高效能冷卻系統(tǒng)散熱模塊。目前還有廠商研發(fā)復(fù)合鉆石散熱片，利用人造鉆石加入碳化硅等粉體燒結(jié)而成，熱傳導(dǎo)系數(shù)為600W/cmK，并可進(jìn)行表面金屬化做為導(dǎo)電層，應(yīng)用于高亮度LED的散熱基板。

　　此外，散熱涂料也是LED散熱一個(gè)新興的研發(fā)方向，空氣冷卻很重要的一個(gè)因素接觸空氣的面積，面積越大散熱效果越好，一般金屬表面平滑，而使用氮化硼(TSD)導(dǎo)熱/散熱涂料后的金屬成不規(guī)則片狀表面，以冷排為例，好比散熱鰭片上又多了許多小鰭片，此時(shí)接觸空氣的面積比原先約增加50%。還有以以碳化硅(SiC)為材料的涂料，碳化硅具備優(yōu)異的熱傳導(dǎo)特性(130~160W/mK)，良好的絕緣性，并具有比銅、鋁等金屬高5~8倍的熱輻射率，且為非金屬，無噪聲及漏電流現(xiàn)象。

　　這些涂料除了強(qiáng)化散熱/導(dǎo)熱效果外，還有其它特性對(duì)LED有幫助，如高溫時(shí)能抗氧化、抗腐蝕性與表面硬度、耐磨耗性提升，應(yīng)用于LED自然散熱，靜電消散，電磁屏蔽、自由基防護(hù)(防蝕)等額外需求上，都有錦上添花的效益。

　　LED散熱基板新興趨勢(shì)之一為加上散熱涂料，強(qiáng)化散熱效果。(古榮豐)

　　最終設(shè)計(jì)考慮

　　雖然散熱基板是整個(gè)LED散熱的核心，不過完善的散熱，還是需要多方因素配合，也是考驗(yàn)研發(fā)人員是否有設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)周密，如LED芯片架構(gòu)與原物料也是影響LED熱阻大小的因素之一，如果選用不當(dāng)將加重整個(gè)散熱系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

　　此外，即使用相同的散熱材料，散熱技術(shù)基本上和散熱面積的大小有直接關(guān)系，二次散熱設(shè)計(jì)好，面積大，也就相應(yīng)地降低了熱阻。而LED芯片用導(dǎo)熱膠還是與金屬直接相連，包括導(dǎo)熱膠和金屬的不同種類都會(huì)影響LED熱阻的大小，故設(shè)計(jì)上要盡量減少LED與二次散熱機(jī)構(gòu)裝載接口之間的熱阻。當(dāng)然，LED組件的工作環(huán)境溫度過高也會(huì)影響LED組件的熱阻大小，故如果可能，應(yīng)盡量設(shè)計(jì)降低環(huán)境溫度。在散熱材質(zhì)選用類似，技術(shù)也類似的情況下，前述這些細(xì)節(jié)注意與落實(shí)的程度，也許就決定了產(chǎn)品散熱效能的最終差異。

高效能LED由于發(fā)熱量高，散熱是決定產(chǎn)品勝負(fù)的關(guān)鍵之一。