從鉆石的散熱及發(fā)光看超級LED的設(shè)計 (1)

1、    從鉆石的散熱及發(fā)光看超級LED的設(shè)計 (1)臺灣的鉆石科技中心(Diamond Technology Center，DTC)以類鉆碳(Diamond Like Carbon，DLC)的鍍膜取代印刷電路板上環(huán)氧樹脂的絕緣2層，可使現(xiàn)行LED 的照明產(chǎn)品(如路燈)的壽命大幅延長。DTC 又發(fā)展出鉆石島外延片(Diamond Islands Wafer，DIW)做為生產(chǎn)超級LED 的基材。超級LED 可發(fā)出極強的紫外光(Ultraviolet Light，UV)，其強度不因高溫而降低，反而會更亮。超級LED 的半導(dǎo)體，包括鉆石、立方氮化硼(Cubic

2、Boron Nitride，cBN)及氮臺灣的鉆石科技中心(Diamond Technology Center，DTC)以類鉆碳(Diamond Like Carbon，DLC)的鍍膜取代印刷電路板上環(huán)氧樹脂的絕緣2層，可使現(xiàn)行LED 的照明產(chǎn)品(如路燈)的壽命大幅延長。DTC 又發(fā)展出鉆石島外延片(Diamond Islands Wafer，DIW)做為生產(chǎn)超級LED的基材。超級LED 可發(fā)出極強的紫外光(Ultraviolet Light，UV)，其強度不因高溫而降低，反而會更亮。超級LED 的半導(dǎo)體，包括鉆石、立方氮化硼(Cubic Boron Nitride，cBN)及氮化鋁(AlN)

3、等具有極寬的能隙，甚至能制成固態(tài)的UV Laser，其光能密度將遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的氣體(如Eximer)雷射。光的革命本世紀(jì)開始就啟動了光的革命， 已經(jīng)用了百餘年的白熾燈(Incandescent Lamp)及螢光燈(Fluorescent Lamp)即將走入歷史。就在未來的幾年，LED 發(fā)光將成照明(如路燈)及顯示(如電視)的主流。2009 年全球LED 的總產(chǎn)值約76 億美元，日本為產(chǎn)值第一的國家，臺灣則為產(chǎn)量最大的地區(qū)(圖1)。圖1：LED產(chǎn)量年年攀高臺灣為半導(dǎo)體的制造王國，也擁有最多的MOCVD 長晶機臺。臺灣在這一波光革命的浪潮乘勢沖高，已成為LED 最多芯片的生產(chǎn)主國。但就像是過去的光盤

4、及現(xiàn)在的DRAM 必須付出昂貴的權(quán)利金一樣，LED 的專利也受制于外國公司(圖2)?！拔⑿η€”使國外大公司專利產(chǎn)生的利潤遠(yuǎn)大于臺灣辛苦生產(chǎn)LED 的價值。圖 2：世界LED 專利的交互授權(quán)已把臺灣的制造者邊緣化鉆石科技臺灣的半導(dǎo)體制造技術(shù)雖受制于人，但半導(dǎo)體材料最極致的鉆石產(chǎn)品卻獨步全球。中國砂輪企業(yè)股份有限公司(Kinik Company)與宋健民博士合作(Joint Venture)的鉆石科技中心(Diamond Technology Center，DTC)在1999 年推出世界首創(chuàng)的鉆石陣(DiaGrid) 鉆石碟，早成生產(chǎn)集成電路必用化學(xué)機械平坦化(Chemical Mechanic

5、al Planarization，CMP)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(圖3)。DTC 的專利也曾逼退3M，更曾授權(quán)美國、日本及中國的主要鉆石產(chǎn)品公司。圖3：早成生產(chǎn)集成電路必用“化學(xué)機械平坦化”的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品臺灣的鉆石科技中心(Diamond Technology Center，DTC)以類鉆碳(Diamond Like Carbon，DLC)的鍍膜取代印刷電路板上環(huán)氧樹脂的絕緣2層，可使現(xiàn)行LED 的照明產(chǎn)品(如路燈)的壽命大幅延長。DTC 又發(fā)展出鉆石島外延片(Diamond Islands Wafer，DIW)做為生產(chǎn)超級LED 的基材。超級LED 可發(fā)出極強的紫外光(Ultraviolet Light，U

6、V)，其強度不因高溫而降低，反而會更亮。超級LED 的半導(dǎo)體，包括鉆石、立方氮化硼(Cubic Boron Nitride，cBN)及氮化鋁(AlN)等具有極寬的能隙，甚至能制成固態(tài)的UV Laser，其光能密度將遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的氣體(如Eximer)雷射。DTC 發(fā)展出一系列的鉆石鍍膜，其中包括CVD 及PVD(圖4)。圖4：DTC披覆類鉆碳(Diamond Like Carbon，DLC)的技術(shù)示意DTC 的鉆石科技可提升LED 設(shè)計的視野。DTC 對LED 的上、中、下游都有對應(yīng)的鉆石產(chǎn)品，可以使臺灣未來的LED 產(chǎn)品加上鉆石價值而獨步全球(圖5)。圖5：  圖示DTC 發(fā)展超級L

7、ED 的設(shè)計例子鉆石電路板LED 的亮度會隨溫度的升高而降低，而其壽命更會急據(jù)縮短。目前LED 的下游散熱片多以鋁片制成，其上的銅制電路乃以絕熱的環(huán)氧樹脂(Epoxy)隔開絕緣。環(huán)氧樹脂的熱傳導(dǎo)係數(shù)(0.5 W/mK)比鋁(275 W/mK)低數(shù)百倍，LED 芯片產(chǎn)生的熱乃久聚難散。DTC 以比銅熱傳導(dǎo)係數(shù)(400W/mK)更高的DLC(500 W/mK)絕緣銅導(dǎo)線，因此可以達(dá)到顯著的冷卻效果(圖6圖14)。DLC 披覆的印刷電路板(Print Circuit Board，PCB)，已經(jīng)供應(yīng)給臺灣多家的LED 制造廠家，更將和中國的海安晶鉆公司合作量產(chǎn)。圖 6：以熱閃(Laser Flash)(ASTM E-1461DIN)量測的熱擴散率(Thermal Diffusivity)顯示DLC 遠(yuǎn)高于銅泊圖 7：披覆DLC 的PCB 在加電20 分鐘后不同LED 的表面溫度差異 1。未披覆DLC 者溫差可達(dá)3(350 mA)或9(1000 mA)圖 8：DLC 散熱的剖面顯示LED 的溫度梯度明顯降低，熱流由芯片迅速流向邊緣圖 9：高功率( 5W)LED 的DLC PCB(DTC 產(chǎn)品)圖 10：DLC 鍍膜可戲劇性的減小鋁板的熱阻圖 11：DLC