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

隨著全球的環(huán)保意識(shí)抬頭，白熾燈泡將采取逐漸減少用量的政策，以降低環(huán)境光源所造成的大量能源浪費(fèi)問(wèn)題，取而代之且最具替代優(yōu)勢(shì)的新世代光源，就屬LED產(chǎn)品莫屬。LED發(fā)展迄今已逐漸具備多項(xiàng)成熟優(yōu)勢(shì)，例如，省電、高效率、高反應(yīng)速度、壽命長(zhǎng)，與全制程均不含汞的多項(xiàng)環(huán)保優(yōu)點(diǎn)，加上體積小、重量輕與可在各種表面設(shè)置等元件 特色，已成為全球燈具與元件廠積極開發(fā)的應(yīng)用光源，但實(shí)際上LED在我們所輸入的能源中，僅有兩成能源可以轉(zhuǎn)換為光能，剩下的八成能源多半形成廢熱散逸。 　　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的廠商的測(cè)試 數(shù)據(jù)，檢視其光衰曲線圖大致確認(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)。 　　LED光源 最大的挑戰(zhàn)在克服光衰，光衰問(wèn)題必須從散熱著手 　　觀察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、覆晶或打金線的線路與晶粒本身，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，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。 　　管狀與平板狀的LED燈具 設(shè)計(jì)，在主/被動(dòng)散熱機(jī)制都是延長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵 　　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，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，嘗試從金線下手，將金線距離縮短、線徑增大，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晶粒基板部分，主要是將LED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。 　　各式高功率LED燈具模塊 　　在LED元件的核心，也有嘗試透過(guò)改善金線的制作邏輯，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)。