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LED散熱技術發展趨勢吳淑芬2011/5/11以LED磊晶而言，碳化矽(SiliconCarbide)相對有高的熱導性且依附半導體技術純熟，其優勢逐漸浮現。在LED封裝端，覆晶(Flip-Chip)有助於提高導熱效果，而矽基板(Si)散熱效能不亞於陶瓷基板，其具備可大量生產之優勢，將逐漸侵蝕現有陶瓷散熱基板市場。整體而言，LED散熱市場將隨LED高功率產品應用提升而有所成長。現階段，由於LED散熱產品標準化未定，市場上仍未出現主流產品或領導廠商。不論是LED上中游磊晶封裝，亦或是下游系統應用端，近幾年將持續吸引潛在廠商進入LED產業。LED元件結構異質結合之各部位熱阻來源Source：拓墣產業研究所，2011/05一.LED散熱技術應用的重要性LED(LightEmittingDiode)被開發作為光源的半導體結構元件，經由電能(輸入功率)轉換為光能。學理上，LED之光效可以達到263lm/W。目前，幾家國際大廠之實際量產光源均已超過100lm/W，但就現行技術而言，已量產之LED藉由電能轉換光能效率可以達到40%；然而仍有超過一半甚至近70%的輸入電能無法有效地轉為光能，剩餘能量多數以熱的形式呈現。受限於物理性質，當LED接面溫度(JunctionTemperature)受熱達一定溫度時，將導致其發光效能大幅下降，加上LED晶粒面積小，使其發熱密度相對地高，特別是高功率LED(本文高功率LED界定為1W=350mAx3V以上)，若未適宜地處理散熱與導熱。隨著LED接面溫度提升，將加速降低LED發光亮度與效率，進而影響其應用產品之性能，而毫無疑問地，LED散熱良窳攸關LED應用產品的品質。時至今日，散熱仍是LED廠商研發的要點之一。本文主要將從LED磊晶封裝端及系統應用端，說明LED散熱技術及相關應用趨勢。綜觀LED產業鏈，由前端LEDChip磊晶製程至後端LED背光或照明應用，大致上可區分為：LED晶粒製程、晶粒封裝，以及系統應用。在系統應用端，LEDChip已經被應用於多種電子產品背光(LEDBacklight)，以及作為各式照明的光源(LEDLighting)，預計未來幾年，LED應用於背光與照明將持續成長，唯比例上，LED照明應用將逐漸增加，預估在2014年之後將可望超越LED背光應用。圖一2010～2014年LED背光與照明應用比例Source：拓墣產業研究所，2011/05可預期地，無論是LED背光或照明應用，隨著高功率LED技術日益增進，LED應用產品端將更加地多元化。然而，如前所述，LED發光效能受其接面溫度影響，因而更加凸顯LED散熱與導熱在未來LED應用市場的重要性。欲解決LED之熱問題，必先了解熱的來源。實務上，LED從晶粒、封裝、電路設計，至應用產品端，歷經多層異質材料，這些材質與結構均是影響整體熱阻的元素。從一般性LED之元件結構來看，LED熱阻主要來自磊晶基板、封裝過程之各項基板與絕緣層的材質。圖二LED元件結構異質結合之各部位熱阻來源Source：拓墣產業研究所，2011/05無庸置疑，如何降低LED晶粒至應用端使用多層介面所產生的熱阻，是解決LED散熱問題的核心之一，而關鍵便在於如何減少介面及適宜地選取每項介面的材料。以下將從上述LED相關製程與應用端之3個構面檢視之。二.LED磊晶與封裝之熱解決在本質上，難以將LED磊晶與封裝清楚地區分，尤其前端LED磊晶的過程，通常已經決定或者限制LEDChip可使用的封裝形式，例如垂直式LED(VerticalChip)，在封裝上難以採用覆晶LED(FlipChip-LED)。就LED晶粒而言，散熱效果越佳的晶粒，適用於更大電流驅動，並且在定電流時達到接面溫度更低而增加晶粒的可靠性，而在晶粒製造階段，選用不同磊晶基板(如藍寶石基板、矽基板)因其散熱係數規格與晶格配適程度，影響LED光萃取及熱傳導的流向。由於LED大部分的熱，由晶粒(晶片)背面傳導，磊晶基板將是決定熱導出多寡的關鍵因素。實務上，選擇適當的磊晶基板首當考量因素在於，晶格係數、熱膨脹係數與基板上磊晶層材料是否有良好的相似程度。現階段，全球LED上游磊晶廠商之磊晶技術以生長氮化鎵(GalliumNitride，GaN)之白/藍/藍綠光為主，在基板的選用上，除少數廠商採用碳化矽基板(SiC)生長GaN形成藍光、藍綠光之外，多數廠商仍採用藍寶石(Sapphire，Al2O3)作為磊晶基板。表一藍寶石基板與矽基板比較Source：拓墣產業研究所，2011/05(一)提升散熱效能之磊晶基板與晶粒結構實際上，晶格常數匹配度較高的碳化矽基板，更適合GaN磊晶製作LED光源。碳化矽基板不僅在晶格匹配度上較藍寶石基板為佳，且因其為半導體材料，可採用半導體製程技術進行加工，特別是利用半導體製程於碳化矽基板進行幾何形狀之處理，將降低光線在晶粒中的內全反射(TotalInternalReflection)，有助於提升晶粒之光取出效率。然而，現階段由於藍寶石基板之價格(性價比)仍較具優勢，預估在未來2～3年內，藍寶石基板將持續地被應用於LED磊晶。學理上，藍寶石並非是生長GaN最適宜的材質，其晶格配適度約為60%，為了增加光萃取與解決散熱問題，業者持續在藍寶石基板上開發新技術與新材質。其中，圖案化藍寶石基板(PatternSapphireSubstrate，PSS)是近年藍寶石供應廠商開發的要點之一。表二LED用藍寶石基板分類Source：兆遠科技；拓墣產業研究所整理，2011/05值得注意的是，LEDChip的晶粒結構形式，亦會影響LED散熱。LEDChip結構，常見的LED為水平式(HorizontalType)，唯近年來已有廠商開發且量產垂直式LED，例如2010年於NASDAQ上市公司：SemiLEDs，其研發與生產基地均設在台灣(在台名稱為旭明光電)，利用雷射技術將藍寶石基板剝落，爾後以電鍍銅鋁合金等金屬覆於GaN晶粒上，確實達到有效提升LED晶粒的散熱效果。其他國際大廠如Cree、晶元光電、璨圓光電等，亦有部分LED晶粒採用VerticalChip方式生產，唯廠商間選擇覆在GaN晶片上之材質有所不同。圖三LEDChip結構：水平式v.s.垂直式Source：拓墣產業研究所，2011/05由於VerticalChip生產技術專利由少數幾家廠商掌握，加上廠商仍在尋找更適宜的電鍍合金比例或其他材質，VerticalChip產量目前仍不多。以2010年2吋LED晶片計算，全球約略總產量為1,000萬片，產值約為20億美元，其中VerticalChip形式的LED仍不及10%。然而，可預期的是，在LED產業逐漸興起廠商專利交互授權之風氣，加上VerticalChip較佳的散熱效果，未來VerticalChip將普及地被應用於LED製程。綜上所述，以LED磊晶面向而言，LED散熱問題的解決關鍵乃在於LED磊晶基板與LEDChip結構。而在矽基板尚未被大量應用於生長GaN白/藍/藍綠光之前，藍寶石基板圖案化將在短期內成為主要的趨勢之一；同時，VerticalChip形式的LED亦將會有顯著的成長。接著下文將從LED封裝面向，檢視有關LED散熱議題的關鍵技術。(二)LED封裝技術對解決散熱問題的貢獻在LED封裝過程，不論是封裝方式，抑或是基板/載板之材料的選擇，均將影響LED散熱與導熱性能。目前業界採用的LED封裝類型，包含：Lamp-LED(垂直LED)、SMD-LED(表面黏著LED)、TOP-LED(頂部發光LED)、COB(ChipOnBoard)、High-Power-LED(高功率LED)、FlipChip-LED(覆晶LED)，以及WaferLevelPackage。實際上，上述多數LED封裝技術，乃延續著早期半導體晶圓封裝技術。須注意的是，在LED封裝領域中，FlipChip有別於一般固晶方式，是由外加能量達到固晶，FlipChip的方式是將晶片反轉(Flip)對位於承載LED晶粒之基板的金凸塊(Bump)上方。如下面圖四所示。圖四FlipChip-LED與一般性LED封裝固晶差異Source：拓墣產業研究所，2011/05FlipChip-LED使LED晶粒產生的熱，經其金凸塊傳導致基板上，而有較佳的導熱效果；此外，由於去除了Chip上電極(線)遮擋出光面積，亦提高LED出光量。實際上，FlipChip封裝製程中，縮短LED於高溫烘烤的時間，降低物料熱應力，又加上FlipChip製程簡化易於良率控管，預計近年將逐漸成為LED封裝技術的主流。FlipChip-LED製程講究精密度，例如製程上仍須考量相當物料品質(如基板鍍層或晶片電極)、瓷嘴設計、金線材質與其線徑，以及相關的製程參數設定，此皆需較為精密製程設備。而精密製程所需的設備機台，相對地需要較高的投入資金。現階段FlipChip精密製程之設備機台，約為一般性封裝設備的3倍，因此欲投入FlipChip-LED之廠商，初期將面臨設備投資大的風險，若無適足的接單量，恐難以短期內回收設備成本。目前LED封裝大廠億光，已經投入多條產線採用FlipChip-LED。採用何種LED封裝形式，與LED應用端有著極大的關聯，例如就LED背光應用而言，現行之量產階段仍以支導架為主，不過有部分業者已投入研發LED背光應用採用陶瓷基板封裝的可行性。而選用陶瓷基板作為封裝考量的一個主要因素，無非是廠商仍在尋求最佳的解決散熱問題；換言之，在LED封裝對於熱的傳導，除了封裝形式會影響散熱良窳之外，材料亦是關鍵的要素。LED封裝原物料，例如支架、固晶材料、銲線等均將因不同材質的熱導係數而影響到LED散熱效能；此外，固晶路徑或金線銲線機與銲線程序、金線線徑的選用，以及填充膠材如Silicone與Epoxy(環氧化物)等不同材質與材料特性，亦是攸關LED散熱效能。LED散熱所使用的陶瓷基板主要可區分為氧化鋁基板與氮化鋁(AlN)，過去一段很長的時間，由於氧化鋁陶瓷基板具備價格上的優勢被大量使用，而隨著LED朝向高功率應用產品發展的趨勢增強，對於氮化鋁陶瓷基板的需求也隨之增加。理論上，LED封裝方式與材料的選取，應當依據不同的LED應用產品而定，上述從LED封裝技術檢視解決LED散熱問題，FlipChip無疑是一個好的解決途徑。而材料的選取上，陶瓷基板之應用，以及陶瓷基板金屬化的開發，在未來3～5年預計仍將持續受到廠商的關注；另外，矽(Si)基板封裝近幾年也逐漸成為廠商投入研發的另一關鍵封裝材質。三.LED系統應用端散熱解決方案由於LED系統端散熱的進入門檻低，目前已有多家從事電子產品之散熱模組廠商正在觀望LED市場。現階段，解決LED系統應用產品端之散熱方式，主要採用複合式的形式，例如散熱片搭配散熱塗料、散熱片搭配各式熱管(迴路型或平板型)、散熱片搭配風扇，亦有散熱片同時搭配熱管與風扇。其中，風扇是否適宜地作為輔助LED照明產品的散熱工具，目前系統應用端的廠商仍躍躍欲試。目前廠商將風扇納入LED系統應用之產品，主要仍以室內照明為主。在技術上，主要須突破如何降低風扇運轉帶來的聲音干擾。綜上所述，解決LED散熱問題應從3個構面切入。以LED晶粒端而言，目前主流以藍寶石基板生長GaN白/藍光/藍綠光；然而，碳化矽基板相對有高的熱導性能，加上其挾帶半導體技術純熟，其優勢逐漸浮現。在LED封裝端，共晶或覆晶(Flip-Chip)技術導熱效果佳，唯具高散熱低熱膨脹，以及絕緣載板之最適材料選擇，仍是目前各廠商技術研發要點。在眾多材料中(SiC、Al2O3、AlN、GaN、Si)，矽基板(散熱)效能不亞於陶瓷基板，加上大量生產優勢，矽基板將可能侵蝕取代現有陶瓷基板市場，須注意的是，封裝過程應用於電路散熱基板的導熱絕緣膠材之選取，同是廠商技術要克服的。在LED系統應用端，目前LED應用於背光與照明之散熱，普遍採用複合式散熱方法。毫無疑問地，隨著LED技術提升(朝高功率發展)與應用產品趨向多樣化，對LED散熱之相關產品的需求將增加，可預期LED散熱市場仍將持續擴大。LED散熱市場，從LED前