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高功率LED的散熱設(shè)計(jì)與應(yīng)用趨勢(shì)分析

發(fā)布時(shí)間:2011-12-14

中心議題:

  • LED的散熱設(shè)計(jì)
  • 元件溫度影響LED使用壽命
  • LED元件的結(jié)構(gòu)特性

解決方案:

  • 輔助技術(shù)改善LED的光衰問(wèn)題
  • 改善熱阻強(qiáng)化LED散熱效率
  • 采用高功率LED元件,改善散熱的處理手段
  • 解決LED核心熱源的散熱


LED雖在元件有多項(xiàng)環(huán)保優(yōu)勢(shì),但與一般白熾燈具一樣,燈具本身自己發(fā)光產(chǎn)生的熱,也會(huì)間接影響燈具自身的使用壽命,尤其是LED為點(diǎn)狀發(fā)光光源,其所產(chǎn)生的熱能也集中在極小的區(qū)域,若產(chǎn)生的高溫?zé)o法順利排解,那LED的結(jié)面溫度將會(huì)因此偏高,進(jìn)而直接影響LED的使用壽命與發(fā)光表現(xiàn)。

LED的光衰問(wèn)題 須透過(guò)輔助技術(shù)改善

LED雖是極具未來(lái)性的光源元件,即便具備壽命長(zhǎng)優(yōu)點(diǎn),但依舊仍有其壽命限制,尤其是大功率的LED,因?yàn)槠浒l(fā)光功率高,所加諸的電力大,工作時(shí)間超長(zhǎng),甚至還必須放置于戶(hù)外應(yīng)用,在環(huán)境與元件本身的諸多限制,往往令其使用壽命大幅降低。

過(guò)去在元件的概念都以為,LED至少都有10萬(wàn)小時(shí)壽命,其實(shí)目前的元件在實(shí)地應(yīng)用時(shí),卻不見(jiàn)得能達(dá)到如此高標(biāo)準(zhǔn)的壽命表現(xiàn),其實(shí)問(wèn)題的核心就在LED的光衰現(xiàn)象,一般而言,如果不考慮線(xiàn)路或是電源電路的故障問(wèn)題,LED元件本身若發(fā)光亮度降低至原有的30%以下,就可以視此LED元件達(dá)到不堪用的程度。觀(guān)察LED的光衰現(xiàn)象,可以從多個(gè)層面討論,多數(shù)的白光LED是由藍(lán)光晶粒LED搭配光學(xué)塑料摻雜黃色螢光粉所呈現(xiàn),以白光LED為例,其光衰現(xiàn)象就可以從藍(lán)光晶粒本身的光衰、與黃色螢光粉本身的光衰兩部分所組成。

在螢光粉的光衰問(wèn)題,其實(shí)對(duì)于溫度的影響甚巨,而在晶粒的光衰問(wèn)題,不同顏色的晶粒光衰現(xiàn)象亦有蠻大的差距,其光衰特性的差異視不同廠(chǎng)商、制程與螢光粉配方不同,都會(huì)影響其表現(xiàn),很難用一致性的討論來(lái)下定論,一般LED元件的光衰表現(xiàn)可透過(guò)LED的廠(chǎng)商的測(cè)試數(shù)據(jù),檢視其光衰曲線(xiàn)圖大致確認(rèn)元件特性。

元件溫度將直接影響使用壽命

一般而言,LED的結(jié)面溫度與發(fā)光效率是兩組對(duì)立的數(shù)值,當(dāng)結(jié)面溫度增加,發(fā)光效率也會(huì)持續(xù)降低,以實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)取一般LED為例作為參考,當(dāng)結(jié)面溫度持續(xù)自室溫提升到100度時(shí),發(fā)光效率將持續(xù)減低,最高可減少70%左右,如果取白光、藍(lán)光、紅光與黃光幾種常見(jiàn)LED光色產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估,會(huì)發(fā)現(xiàn)黃光LED受熱造成的光衰現(xiàn)象更為顯著。

同時(shí),若將關(guān)注焦點(diǎn)移轉(zhuǎn)至使用壽命部分進(jìn)行微觀(guān)檢視,在測(cè)試數(shù)據(jù)可以很明顯發(fā)現(xiàn)在70度高溫上下運(yùn)行時(shí),LED的使用壽命即有75%衰退狀況!同理可證,若要讓LED發(fā)光源能達(dá)到最佳化的應(yīng)用表現(xiàn),不管是發(fā)光效率的提升、還是使用壽命的延長(zhǎng),LED「散熱」設(shè)計(jì)就成為相當(dāng)重要的關(guān)鍵技術(shù)。

觀(guān)察LED元件的結(jié)構(gòu)特性

想了解LED的散熱問(wèn)題與待克服的技術(shù)瓶頸,就必須先針對(duì)LED結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行觀(guān)察,了解其運(yùn)作是如何產(chǎn)生熱源,與在不加諸任何輔助散熱措施下,LED是透過(guò)何種方式處理所產(chǎn)生的熱源。

基本上LED為電流驅(qū)動(dòng)元件,發(fā)光的方式是于LED晶粒(Die)以共晶(Eutectic)、覆晶(Flip chip)或打金線(xiàn)的方式,把晶粒放置在基板上,而為了保護(hù)共晶、覆晶或打金線(xiàn)的線(xiàn)路與晶粒本身,外表覆上耐高溫的透明材料、或是光學(xué)材料。

從結(jié)構(gòu)上就能發(fā)現(xiàn),除了LED外覆光學(xué)材料的表面可透過(guò)接觸空氣進(jìn)行熱交換的散熱行為外,LED在發(fā)光過(guò)程所產(chǎn)生的熱,亦可從晶粒上打的金線(xiàn),直接傳導(dǎo)至焊接的主機(jī)板散逸熱源,此外,晶粒采共晶或覆晶所放置的System circuit board,透過(guò)表面接觸的熱傳導(dǎo)效果,也可散出絕大部分產(chǎn)生的熱源。

改善熱阻強(qiáng)化LED散熱效率

討論LED散熱效率前需先理解熱阻(thermal resistance)問(wèn)題,熱阻是物體對(duì)熱能傳導(dǎo)的阻礙程度,在單位表示上為℃/W,檢言之就是針對(duì)一個(gè)物體傳熱功率為1W,而導(dǎo)熱物件兩個(gè)端點(diǎn)的溫度差異,即為該物件的熱阻值,至于檢視LED的熱阻,則是討論在LED開(kāi)啟發(fā)光后,當(dāng)LED元件內(nèi)的晶粒熱量傳導(dǎo)趨于穩(wěn)定時(shí),在芯片的表面以每1W進(jìn)行散逸,在LED的晶粒P/N結(jié)點(diǎn)的聯(lián)機(jī)或散熱基板間的溫度差異,就成為L(zhǎng)ED的熱阻。

影響LED元件熱阻的因素很多,例如,LED的晶粒線(xiàn)路連接方式、架構(gòu),到光學(xué)覆蓋層的材料特性,都會(huì)影響LED熱阻值,而降低LED也是提升元件壽命的重要手段。此外,象是LED晶粒是采導(dǎo)熱膠或金屬直接相連,都會(huì)影響LED熱阻大小。
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高功率LED元件 改善散熱的處理手段

檢視目前的LED散熱改善手段的處理技術(shù)瓶頸,其實(shí)LED晶粒外部的光學(xué)材料所能改善的熱交換效率有限,這是礙于勿理性的限制,改善幅度相當(dāng)有限,反而是作為基板的System circuit board和晶粒上為了導(dǎo)通供應(yīng)驅(qū)動(dòng)電力的金線(xiàn),算是可大幅改善LED元件散熱效率的重要關(guān)鍵處,尤其是基礎(chǔ)載板的散熱效能改善,投入的改善措施其效益最為顯著、實(shí)際。

而目前也有LED元件廠(chǎng),嘗試從金線(xiàn)下手,將金線(xiàn)距離縮短、線(xiàn)徑增大,藉此提升LED核心晶粒的散熱效能,但LED封裝手法的改善效果有限,在成本與效益上仍未能如透過(guò)基礎(chǔ)載板的散熱改善措施來(lái)得更具效益。

而LED的散熱措施,觀(guān)察LED元件構(gòu)造會(huì)發(fā)現(xiàn),散熱的關(guān)鍵會(huì)只剩下LED晶粒與元件本身承載晶粒的載板,與LED元件與安裝于系統(tǒng)主機(jī)板上的電路載板兩個(gè)改善手段,基本上承載LED晶粒的載板屬于LED封裝制程中可以介入控制的關(guān)鍵點(diǎn),而LED元件與所安裝的電路板載板散熱關(guān)系,則是一般LED模塊廠(chǎng)所關(guān)注的散熱改善重點(diǎn)。

解決LED核心熱源的散熱處理方式

在LED晶?;宀糠郑饕菍ED晶粒在發(fā)光過(guò)程所產(chǎn)生的核心熱源,快速傳導(dǎo)到外部的重要關(guān)鍵,一般基于散熱考量,在高功率的LED元件方面,多數(shù)會(huì)采取散熱效率相對(duì)較佳的陶瓷基板為主,目前有薄膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷、 厚膜陶瓷基板等基板制法,高功率會(huì)產(chǎn)生高熱的高亮度元件,多數(shù)都采行 低溫共燒多層陶瓷或厚膜陶瓷基板,透過(guò)基礎(chǔ)載臺(tái)本身的高熱傳導(dǎo)效率,去提升將核心晶粒在發(fā)光歷程所產(chǎn)生的高熱,快速傳導(dǎo)到元件外部。

從此可以理解,陶瓷散熱基板可以說(shuō)是能將LED元件本身的散熱條件,一舉提升的制程材料改善手段,也是目前高功率LED的制作方式,亦有必要針對(duì)此進(jìn)行深入說(shuō)明。

LED薄膜陶瓷基板

與低溫共燒多層陶瓷、厚膜陶瓷基板基板技術(shù)不同的是,薄膜陶瓷基板則是采取濺鍍手段或是化學(xué)沈積方式,或佐以黃光微影制程制作,其中,透過(guò)黃光微影會(huì)使線(xiàn)路精密度方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越低溫共燒多層陶瓷與厚膜陶瓷基板制作方式,而300度低溫制程可避免陶瓷基板的體積變異問(wèn)題,雖然優(yōu)點(diǎn)較多,其制作成本也相對(duì)增加。

LED低溫共燒多層陶瓷

低溫共燒多層陶瓷基板技術(shù)是采取用陶瓷材料,作為基板基礎(chǔ)材料的手段,制作方式是預(yù)先將相關(guān)線(xiàn)路透過(guò)網(wǎng)印手法印刷在基板表面,進(jìn)而整合多層陶瓷基板制作,而最后的制程階段則是應(yīng)用低溫?zé)Y(jié)制作而成。

但低溫共燒多層陶瓷基板的制作手段繁復(fù),加上金屬線(xiàn)路部分為采用網(wǎng)印方式處理,在對(duì)位誤差和精確度部分仍會(huì)出現(xiàn)可能的技術(shù)限制,而多層陶瓷結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)燒結(jié)制作過(guò)程,也會(huì)遭遇熱脹、冷縮的問(wèn)題,若想在低溫共燒多層陶瓷基板上再應(yīng)用需針對(duì)對(duì)位極為精準(zhǔn)要求的覆晶制作LED元件產(chǎn)品,其終端產(chǎn)品的良率提升將是一大挑戰(zhàn)。

LED厚膜陶瓷基板

厚膜陶瓷基板同樣也是采取網(wǎng)印方式制作,其工法是預(yù)先將材料印制到基板表面,當(dāng)印刷內(nèi)容物干燥后,基板再經(jīng)由燒結(jié)程序、雷射處理等步驟,完成厚膜陶瓷基板整個(gè)制作流程。

與低溫共燒多層陶瓷一樣,厚膜陶瓷基板一樣會(huì)遭遇到精密度的問(wèn)題,尤其是對(duì)位會(huì)有誤差、線(xiàn)路型態(tài)較為粗糙,在產(chǎn)品不斷要求集積化、小型化的趨勢(shì)下,厚膜陶瓷基板的制作方式將會(huì)遭遇產(chǎn)品小型化的嚴(yán)苛挑戰(zhàn),同樣在面對(duì)共晶、覆晶的制作需求時(shí),厚膜陶瓷基板也會(huì)有對(duì)位與精確度的物理限制存在。

但前述也有提到,透過(guò)打金線(xiàn)的方式改善,再搭配特殊陶瓷基板的模式,對(duì)于LED元件散熱具有相當(dāng)大的效益,但金線(xiàn)連結(jié)的散熱效能仍相當(dāng)有限,近來(lái)也有多種解決方案針對(duì)此進(jìn)行改善,例如采用具高散熱系數(shù)的基板材料,如以碳化硅基板或矽基板取代傳統(tǒng)的氧化鋁材質(zhì),或改用氮化鋁或陽(yáng)極化鋁基板等手段,藉此達(dá)到內(nèi)部高效散熱目的。

高功率LED元件 模塊廠(chǎng)的散熱設(shè)計(jì)手段

而在系統(tǒng)電路板的部份,多半是模塊廠(chǎng)著墨較多的改善角度,早期LED模塊產(chǎn)品大多使用PCB材料作為架構(gòu)基礎(chǔ),但實(shí)際上PCB材料的散熱效率有限,近來(lái)針對(duì)高效能LED光源模塊多數(shù)已逐漸導(dǎo)入具高效導(dǎo)熱的金屬基板材質(zhì)取代PCB,例如鋁基板(MCPCB)或是其它利用金屬材料強(qiáng)化的應(yīng)用基板,除了系統(tǒng)電路板本身的應(yīng)用材質(zhì)改變外,為了近一步強(qiáng)化散熱與熱交換效率,于模塊外部也會(huì)采取設(shè)置鋁擠型散熱鰭片,或主動(dòng)式散熱風(fēng)扇,透過(guò)強(qiáng)制氣冷的手段強(qiáng)化加速熱散逸的目的。

在LED元件的核心,也有嘗試透過(guò)改善金線(xiàn)的制作邏輯,改用覆晶或共晶的模式將晶粒與外部進(jìn)行連結(jié),取得供應(yīng)電源的設(shè)計(jì)方式,而透過(guò)此法所制成的LED元件,內(nèi)部連接晶粒的導(dǎo)線(xiàn)從點(diǎn)的接觸一舉變成面的連結(jié),熱傳導(dǎo)的基礎(chǔ)條件大幅強(qiáng)化,自然也能加速內(nèi)部的熱源散逸到元件外部!但共晶或覆晶的制程手段成本較高,對(duì)于基板的精密度要求極高,假若基板的平整度不佳,也會(huì)影響后段成品的良率表現(xiàn),其技術(shù)成熟度仍需要時(shí)間考驗(yàn)。

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