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2012/05

工業材料雜誌305

鑽石加持的LED︰COB of DLC LED onDLC PCB (下)LED with a Diamond Touch (II)

「宋健民 James Sung1、甘明吉Kevin Kan2、

蔡百揚Eric Tsai3、宋思齊Michael Sung4

錸鑽科技(Ritedia Corporation) 1總經理、 2經理、 3研發襄理

鑫鑽科技(SinoDiamondLED Corporation) 4總經理 」

　　倒裝的 LED設計

LED的傳統設計為水平式，但它有兩

個大缺點，即藍寶石會擋住熱流，而電極

也會擋住亮光。除此之外，晶粒的電極必

須銲在金線上。銲點因熱脹冷縮時容易脫

落，以致光擎的可靠度大幅降低。傳統

LED晶片的生產已經過剩，而且台灣製造

產能已大量外移中國大陸。先進的 LED公

司乃開發下一代的產品，包括倒裝晶片(Flip

Chip)或稱覆晶（圖十一），乃至大面積的

垂直 LED (VLED)（圖十二）。倒裝 LED的

優點包括電極不遮光，而且沒有金線。垂

直 LED仍保留一個電極，但因晶片面積較

大，所以一顆高功率（如 10W）的 LED亮

度可抵多顆小面積（如 1 mm2）的晶片。

▲圖十一　錸鑽的DLC FCLED可直接COB銲在AlN

或DLC的基板上，製成高功率的光擎(Light Engine)

DLC VLED

▲圖十二　DLC VLED可製成大面積(>2 mm)的高

功率(>10W)發光源。圖示錸鑽的DLC VLED乃直接COB銲接在DLC PCB上(1 mm)

DLC LED的晶片設計

錸鑽的覆晶設計採用全球首創的 DLC

做為LED的大腳介面，因此加速了晶片的散

熱及紓解了介面的應力，溫度太高及介面受

力為 LED壽命不長的主要原因，如上所述。

▲圖十三　DLC LED可以有效抵抗熱振(Thermal

Shock)造成的破壞力

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After Laser Lift-off

Ni/Ag/Pt/Ti/Au

SiO2

GaN GaNSapphire Sapphire

▲圖十四　LED晶粒常以脆弱的SiO2保護，故容易

剝離造成漏電。絕緣的DLC可以有效阻絕漏電，也能加速 LED上螢光粉的散熱

▲圖十六　DLC PCB可有效降低 LED的晶片溫度

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0 5 20 302510 15Power (W)

Rth

(°C

/W)

Normal Metal PCB

NRK PCB

DLC PCB, ~1.0°C/W

DLC/1050 Al

DLC/5052 Al

Cu Foil/Cu Substrate

Sample #

80

70

60

50

40

30

20

10

0

The

rmal

Dif

fusi

vity

(m

m2 /

sec)

MC PCB

DLC PCB

140

120

100

80

60

40

20

Chi

p Te

mpe

ratu

re (

°C)

2 4 6Power (W)

8 10 5 10 20 30 60 120 180 240Time (min)

3530

2520

1510

50

∆T Conventional MCPCBTHERMEON∆T

Comparison Using 3.5W Emitters.

LED DLC

▲圖十五　DLC使熱流不致阻塞而可順流暢通，這樣就可降低 LED發光的溫度，延長燈具的壽命

DLC VLED

DLC LED不僅可製成覆晶，也能做出

VLED，同樣具有優越性能。

DLC VLED的優越效果可由外部加熱

造成破壞而驗證。沒有 DLC介面的 VLED

在加熱後會破裂，而 DLC紓解應力的

VLED則完好如初（圖十三）。

導電 DLC不僅可製成電極，絕緣 DLC

也能成為阻隔(Isolation)晶粒的護膜，這樣可

以有效防止 LED漏電，避免出光亮度的快

速衰減（圖十四）。

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200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

Lum

en

700 900 1100I (mA)

Green

Red

Blue

4% to 29%DLC

DLC

DLC

Ceramic

Ceramic

Ceramic

100%

90%80%

70%

60%

50%40%

30%

20%

10%0%

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

MC PCBDLC MCPCB 8%

40%

10009W LCD TV

Light Bar with1W Emitters

　圖十七　

DLC PCB可

增加 LED 亮度及延長光擎

壽命

▲

▲圖十八　電視背光條燈 LED的溫度分布顯示DLC可有效散熱抑制溫度的上升

65

60

55

50

45

40

35

25

30

Tem

pera

ture

(°C

)

0 40 80 120 160 200 240 280Light Bar (mm)

TimePCB-4

MC PCB (45°C)

65

60

55

50

45

40

35

25

30

Tem

pera

ture

(°C

)

0 40 80 120 160 200 240 280Light Bar (mm)

TimeDLC-4

DLC PCB (38°C)

60

56

52

48

44

40

36

Tem

pera

ture

(°C

)

0 50 100 150 200 250 300

Light Bar (mm)

TimeDLC PCB (45°C)6057

54514845

42393633

Tem

pera

ture

(°C

)

0 50 100 150 200 250 300

Light Bar (mm)

Time

MCPCB (58°C)

DLC電路板

DLC不僅可改善LED光源的散熱問題，

也能鍍在鋁基板上製成 DLC PCB (Printed

Circuit Board)。一般的金屬基電路板(Metal

Core PCB; MCPCB)乃在鋁板上塗佈樹脂絕

緣銅導線。然而樹脂為熱阻，而且它會逐漸

變質，甚至會和水氣反應，所以其封裝的光

擎不適用於戶外 LED的燈具（如路燈）。

DLC PCB 徹底解決了 LED基板在戶外嚴苛

環境使用的問題（圖十五至圖十九）。

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80°C

18°C

47.6°C

47.3°C

49.7°C

49.6°C

▲圖十九　億光 100W以上路燈乃採用DLC PCB

130.0

118.8

107.5

96.3

85.0

73.8

62.5

51.3

40.0

142.00°C102.86°C

135.07°C95.72°C

Vacuum Chamber aD on Al Plate

VCM Diamond Coat

Thermal Radiation Beats Vacuum Chamber

▲圖廿　DLC鍍在鋁板上（右圖），其散熱效果居然高於銅片製成的真空水冷均熱板 ( V a c u u m

Chamber)（左圖），此結果為日本散熱材料的主要公司 Fujipoly量測報告

140012001000800600400200

0-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

I (mA)

(Lum

en)

DLC

DLC

2-2 2-3 4-2 4-3

I vs Flux (Lumen)

▲圖廿二　DLC覆晶的白光通量大於無DLC介面的

覆晶

900.0850.0800.0750.0700.0650.0600.0550.0500.0450.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.0

50.00.0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Current (mA)

(mA)

DLC

DLC

▲圖廿一　由於內建散熱層與發光的MQW距離不到 1 µm，DLC覆晶的出光高於無DLC的覆晶

3.100

2.800

2.500

2.200

1.900

1.600

1.300

1.000

Rel

ativ

e In

tens

ity

0 350 700 1050 1400

VLEDDLC/Si

Si

CuW

▲圖廿三　DLC VLED的出光大於無DLC介面的產品

DLC不僅傳熱速率高於銅或鋁，它更

可輻射散熱，將 LED的廢熱以遠紅外線

（如 8 µm波長）逸散到空氣中（圖廿）。

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▲圖廿五　DLC覆晶的介面溫度較低，而且沒有破壞性的應力

∆T: 1.17~1.67°CHighest T: 43.17~43.67°C

∆T: 1.31~4.22°CHighest T: 43.01~52.75°C

∆T: 4.22~4.4°CHighest T: 51.82~52.75°C

142.1743.17

242.5

34242

442.84

543.171.17

642.5

742.17

842.67

942.17

144.6646.93

244.5

344.6644.5

446.29

545.82.43

646.29

746.93

846.61

946.93

148.5352.75

249.16

351.248.53

449

549.954.22

651.98

750.11

851.2

952.75

Temperature Uniformity of Chip W1 (with DLC) WO (without DLC) CuW VLED

458.0

456.0

454.0

452.0

450.0

448.0

446.0

Wav

elen

gth

(nm

)

0 350 700Current (mA)

1050 1400

DLC Red Shift ~1 nm

W/O DLC Red Shift ~3 nm

100

90

80

70

6030 40 50 60 70 80

(°C)

4750

4700

4650

4600

4550

4500

4450

44000 20 40 60

Junction Temperature, Tj (°C)80 100 120

Col

or T

empe

ratu

re, C

CT

(K

)

▲圖廿四　溫度會強烈影響發光效率與發光顏色。DLC LED的出光波長穩定，沒有紅移(Red Shift)，因此適

合 LED TV的背光應用

DLC (38.19~39.43°C) Without DLC (41.32~43.17°C)

IR -350 mA

Cree (39.95~41.49°C)

DLC (61.12~68.21°C) Without DLC (72.44~84.11°C)

IR -1050 mA

Cree (64.89~79.56°C)

▲圖廿六　DLC VLED的介面溫度最低，也沒有破壞性的熱點

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Power (W)

Lumens (lm)

Number of LEDs

Emitter

DLC PCB

LED Module

SMT Cost (USD)

LED Cost

Substrate

Total

S/lm

1

100

1

$0.02

$0.68

$0.25

$0.95

$0.01

5

500

4

$0.08

$2.72

$0.25

$3.05

$0.01

10

1000

8

$0.16

$5.44

$0.25

$5.85

$0.01

1

100

1

-

$0.27

$0.25

$0.92

$0.01

3

500

3

-

$0.81

$0.25

$2.06

$0.0041

6

1000

6

-

$1.62

$0.75

$3.37

$0.0034

Emitter Strategy COB Approach

▲圖二十八　LED的間接封裝（左列）及直接固晶（右列）製作成本比較。圖示DLC光擎的成本為每流明

0.3美分，遠低於 2012年國際願景的 1分

(lm/w)

(mA)

(mW/Chip)

DLC LED COB on DLC PCB

▲圖二十七　LED的發光效率及出光通量。圖示LED在大電流以DLC控制光衰的成本最低

DLC LED on DLC PCB

錸鑽設計的 DLC覆晶及 VLED已和多

家 LED公司合作製造，有些 DLC LED乃以

COB直接銲在 DLC PCB上。圖廿一至圖廿

六為不同公司測試的參考數據。

DLC LED的成本

2012年為 LED的照明元年，其決戰點

並不是比較發光的效率，而實為發光的成

本。若 LED的溫度可以 DLC抑制，光衰會

更小，這樣就可以加大電流，一顆 DLC

LED就可抵多顆傳統 LED。這是降低 LED

光擎成本的良方（圖廿七）。

COB為降低 LED成本的有效方法。傳

統的 LED需先製成發光源(Emitter)，增加製

程的複雜度， COB DLC LED可不用昂貴

的陶瓷襯底，所以成本最低（圖廿八）。