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高功率LED散热技术与发展趋势

2010-10-26 18:03
安娜PARKER
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  发光二极管(LED)具有低耗能、省电、寿命长、耐用等优点,因而被各方看好将取代传统照明成为未来照明光源。然而,随著功率增加,LED所产生电热流之废热无法有效散出,导致发光效率严重下降。LED使用寿命的定义为,当LED发光效率低于原发光效率之70%时,可视为LED寿命终结。LED发光效率会随著使用时间及次数而降低,而过高的接面温度则会加速LED发光效率衰减,故散热成LED显学。

  随著芯片技术的日益成熟,单一的LED芯片输入功率可达到5W,甚至更高,所以防止LED工作温度过高也越来越显得重要。若不能有效的将芯片热量散出,接踵而来的热效应也会变得越来越明显,使得芯片接面温度升高,进而直接减少芯片射出的光子能量,降低出光效率。温度的升高也会使得芯片发射出的光谱产生红移,色温质量下降。

  假设当LED的p-n接面温度(Junction Temperature)为25℃(典型工作温度)时亮度为100,则温度升高至75℃时亮度就减至80,到125℃则剩60,到175℃时只剩40。很明显地,接面温度与发光亮度是呈反比的线性关系。

  除了照明质量,高温对LED寿命也有极大的影响。温度对亮度的影响是线性的,但对寿命的影响却是指数性的,同样以接面温度为准,若一直保持50℃以下使用,则LED有近20,000小时的使用寿命,75℃则只剩10,000小时的使用寿命,100℃剩5,000小时,125℃剩2,000小时,150℃剩1,000小时。温度光从50℃变成两倍的100℃,使用寿命就从20,000 小时缩短1/4倍的5,000小时,所以热会极度影响LED的使用寿命。

  

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  LED散热对于发光效率与使用寿命影响甚大,故散热装置的设计相当重要,衍生需要克服的问题也很多,甚至成为LED厂商间的决胜关键。(台达电)

  

  针对LED发热关键点的深入研究

  LED 整体发热量虽然不高,但换算成单位体积发热量时,却远远超过其它光源。热量的传递路径主要分为三种型态,分别为热传导传递(conduction heat transfer)、热对流传递(convection heat transfer)、热辐射传递(radiation heat transfer)。LED对于三种热传导方式的依赖程度相差甚大。LED可从空气中散热、亦有热能直接由基板导出、或经由金线将热能导出,若为共晶及Flip chip制程,热能将经由通孔至系统电路板而导出。

  LED各部位热流量所占比例,其中以铝基板(MCPCB)和电极引脚(Lead)所占热流比例最大,由于LED接面温度较其它光源温度低许多,故热能无法以辐射模式与光一同射出去,所以LED有大约90%之多余热以热传导方式向外扩散,在高电流强度作用下,LED芯片接面温度升高,需要有良好的LED 封装及模块设计,来提供LED适当热传导途径,以降低接面温度。

  

  不同封装方式,也有很大的影响,例如有专家以SiC及Sapphire两种不同封装方式之芯片,搭配ANSYS之有限元素软件包,进行热模拟分析比较,两种不同封装方式之芯片发热量皆为1W。在该实验中SiC封装方式之芯片温度分布较均匀,且接面温度也较低,此与SiC之高热传导系数有关。利用红外线热影像仪,实际拍摄SiC及Sapphire两种不同封装方式之芯片表面温度。SiC封装方式之芯片表面最大温度温差约为2℃,而Sapphire封装方式之芯片表面最大温度温差约为43℃。就因热膨胀系数不同而产生之热应力问题而言,SiC封装方式可得较低热应力。

  散热设计通常有5个控制变因,分别为LED间距、介电层厚度、电路层厚度、焊锡厚度以及环境温度。通常LED间距为五个控制因子中,影响较大之控制因子。然而,LED间距因混光及光均匀度之光学设计需求,并无法任意改变。除了利用LED封装及LED模块设计,使接面温度降低,LED寿命及可靠度上升以外,提高LED对高接面温度抵抗力也是一种方法,但于制程之后想改善LED之散热情况,仍须考虑其散热模块之设计。

  此外,LED 除了考虑芯片温度之外,仍需考虑以热阻大小(热量传递至每个传输介质,在介质两侧所产生之温差,除以发热瓦数,即可求出热阻值,热阻的定义就类似电阻一样)来判断散热效率的好坏,在LED散热设计时,需降低LED整体封装热阻值,以确保元件稳定。

  故高亮度高功率LED皆采用封装体之结构来保护发光部分之接面位置,针对LED接面散热之主要散热途径为热传导,此点由LED封装设计与材料着手,使其接面温度容易传递至外界。再经由LED模块设计来让外部之热量易于散去。其中,LED封装中的基座部分,大多采用金属材料,其热传导系数较高,且为热传导主要途径。

  经散热良好设计与材料匹配之LED封装体,尚需搭配散热良好之LED模块设计,才可有效将热量导至外部环境,长时间使用下使接面温度降低以提高LED 之发光效率。不过散热的基础还是在于基板。

  

  高散热能力基板虽成本高 然预计将快速成长

  LED的散热措施,能够发挥的主要部分,为LED晶粒与元件本身承载晶粒的载板,与LED元件与安装于系统主机板上的电路基板两个部位做强化,在实务上,承载LED晶粒的载板属于LED封装制程中可以介入控制的关键点,而LED元件与所安装的电路基板散热关系,则是一般LED模块厂所关注的散热改善重点。

  LED常见基板通常有四类:传统且非常成熟的PCB、发展中的金属基板(MCPCB)、以陶瓷材料为主的陶瓷基板(Ceramic)、覆铜陶瓷基板(DBC)。其中覆铜陶瓷基板是将铜箔直接烧结到陶瓷表面,而形成的一种复合基板。PCB及MCPCB可使用于一般LED应用之产品。不过当单位热流密度较高时,LED散热基板主要采用金属基板及陶瓷基板两类强化散热。金属基板以铝(Al)及铜(Cu)为材料,可分为「金属基材(metal base)」、「金属蕊(metal core)」。金属基板制程尚需多一道绝缘层处理,目前全球主要散热绝缘胶厂商以美商及日商为主。

  另一类是采用AlN、SiC、BeO等绝缘材料为主的陶瓷基板,由于本身材料就已经绝缘,因此不需要有绝缘层的处理。此外,陶瓷基板所能承受的崩溃电压,击穿电压(Break-down voltage)也较高,此外,其热膨胀系数匹配性佳,可减少热应力及热变形产生也是优点,可以说相当适合LED应用,目前确实已经有相当多LED产品采用,但目前价格仍贵,约为金属基板的2~3倍,因此要大规模普及,还有待降低相关成本。

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