鑽石加持的LED︰COB of DLC LED on DLC PCB—錸鑽科技  

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2012 年為LED 的照明元年。要大量取代白熾燈、螢光燈、投射燈及街燈, LED 不僅要更耐用,也必須更便宜。似鑽膜(DLC)可被覆在LED 的晶片上,可以有效降低溫度及提高亮度。DLC更可紓解晶片封裝時產生的介面應力,增加LED的可靠度。尤有進者,LED的大量使用並不是靠轉換效率的提高,而實為購買價格的降低。DLC LED 直接銲在DLC PCB 上可簡化製程及降低成本(< 0.3 ¢/lm )。 LED 的溫度可以DLC 有效抑制使光衰更小,這樣就可以加大電流,一顆DLC LED 就可抵多顆傳統LED 。這是有效降低LED 光擎成本的良方,不僅可普及LED 照明,也能大幅降低全球的用電量。

鑽石是LED 最好的朋友
LED雖已大量生產多年,但多用於LCD 的背光源、交通燈、顯示看板及裝飾燈等。然而最大宗的應用LED 照明仍只是測試水溫而已。LED 燈具的市場龐大,但因LED 的價格高昂而且其可靠度低,所以至今仍難以普及。然而LED 的價格已經快速滑落而且性能不斷上修,因此業界認為2012年為LED 照明的起飛元年。有鑑於此,錸鑽(台灣錸德科技的子公司)及鑫鑽(江蘇天楹光電子公司)乃計畫生產以鑽石科技加持的LED 光擎(Light Engine),準備進軍LED 的照明市場,包括室內的照明及戶外的路燈等。

LED 性能提升最大的瓶頸為散熱,而散熱最好的材料是鑽石。鑽石不僅是寶石之后,更是材料之王(見宋健民著「超硬材料」及「鑽石合成」, 2000 年教科書,台灣全華圖書)。尤有進者,鑽石可形成奈米級的薄膜而被覆在各種材質上,如金屬、陶瓷、塑膠等。就這樣,所謂的「似鑽膜」(Diamond Like Carbon; DLC)就可和LED 的半導體(如GaN)結合,乃至鍍在封裝LED 的基板上(圖一)。DLC LED 為宋健民的專利產品,它的高速散熱降低了LED的介面溫度,可以使LED 更亮。DLC 也可紓解LED 的介面應力,使LED 的光亮保持穩定,減緩了光度衰減的問題(圖二)。DLC 在LED 的應用包括上游的晶片及下游的封裝,這是符合節能減碳的綠色產品。DLC 的種類很多,不僅可調成平滑的絕緣層,也能被覆成具有奈米結構的導電層。DLC 具有高速散熱及調節應力的特性,因此是提升LED 性能理想的介面物質。LED 的發光效率受限於介面溫度(Junction Temperature), DLC 的高速散熱避免在LED 內產生破壞性的熱點(Hot Spot)。LED 的壽命受到應力的蠶食, DLC 紓解了介面應力,降低了光衰速率及提高了出光的可靠度(Reliability)。


圖二、優越的熱傳導率及適中的熱膨脹率使DLC成為提升LED 性能最好的材料。藍光LED 的GaN可以DLC降低溫度及紓解應力使LED更亮及更持久
圖二、優越的熱傳導率及適中的熱膨脹率使DLC成為提升LED 性能最好的材料。藍光LED 的GaN可以DLC降低溫度及紓解應力使LED更亮及更持久

DLC 可紓解介面應力
藍光LED GaN 的外延磊晶(Epitaxy)為「陽衰陰盛」的半導體。所謂「陽衰」指P層(正極)電洞不足,而「陰盛」則N 層(負極)電子過多。GaN 的電洞常靠Mg 原子的植入生成,但因Mg 原子比晶格大很多,故常造成缺陷。也因如此, P 層的電阻偏大,需透明電極幫助分布電流。更有甚者, P 層乃在磊晶的後期形成,因此離藍寶石介面較遠。當藍寶石由長晶的溫度(如1,000°C)冷卻後收縮,因其收縮量比GaN大,介面的GaN(即N 層)會被壓緊,但離介面稍遠的P 層則因N 層壓縮而張開。

半導體為脆弱的陶瓷,雖可承受極大的壓力,卻易在張力下破裂。P 層的GaN 晶格內的缺陷(如差排)因此容易延伸。藍光LED的晶圓若要製成VLED , P 層常隔反光層軟銲(如Au-Sn)在Si 基材上(圖三)。由於銲層極薄而Si 的熱膨脹係數甚小,COW(Chips-on-Wafer)的GaN 晶格在軟銲冷卻後收縮較大,這樣會使已受張力破壞的P 層晶格受到二次傷害。VLED 也可以CuW 為基材,這是複合材料,而W為過量------更多資料請點選下方檔案瀏覽。

圖三、垂直LED乃軟銲在Si基材上,其介面附近的P 層會受張力破壞。多層金屬膜雖可調節介面應力(左下圖),但多層DLC(右下圖)更可降低MQW的發光溫度,使其在加大功率的負荷下也能正常發光,這樣一顆LED的亮度就可抵多顆使用而降低了光擎(Light Engine)的成本
圖三、垂直LED乃軟銲在Si基材上,其介面附近的P 層會受張力破壞。多層金屬膜雖可調節介面應力(左下圖),但多層DLC(右下圖)更可降低MQW的發光溫度,使其在加大功率的負荷下也能正常發光,這樣一顆LED的亮度就可抵多顆使用而降低了光擎(Light Engine)的成本

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