詳解高亮度LED封裝散熱技術(shù)

過去LED只能拿來做為狀態(tài)指示燈的時代，其封裝散熱從來就不是問題，但近年來LED的亮度，功率皆積極提升，并開始用于背光與電子照明等應(yīng)用后，LED的封裝散熱問題已悄然浮現(xiàn)。上述的講法聽來有些讓人疑惑，不是一直強(qiáng)調(diào)LED的亮度突破嗎？2003年Lumileds Lighting公司Roland Haitz先生依據(jù)過去的觀察所理出的一個經(jīng)驗性技術(shù)推論定律，從1965年第一個商業(yè)化的LED開始算，在這30多年的發(fā)展中，LED約每18個月至 24個月可提升一倍的亮度，而在往后的10年內(nèi)，預(yù)計亮度可以再提升20倍，而成本將降至現(xiàn)有的1/10，此也是近年來開始盛行的Haitz定律，且被認(rèn)為是LED界的Moore(摩爾)定律。 　　依據(jù)Haitz定律的推論，亮度達(dá)100lm/W(每瓦發(fā)出100流明)的LED約在2008年;2010年間出現(xiàn)，不過實際的發(fā)展似乎已比定律更超前，2006年6月日亞化學(xué)工業(yè)(Nichia)已經(jīng)開始提供可達(dá)100lm/W白光LED的工程樣品，預(yù)計年底可正式投入量產(chǎn)。 　　Haitz定律可說是LED領(lǐng)域界的Moore定律，根據(jù)Roland Haitz的表示，過去30多年來LED幾乎每18;24個月就能提升一倍的發(fā)光效率，也因此推估未來的10年(2003年、2013年)將會再成長20 倍的亮度，但價格將只有現(xiàn)在的1/10。不僅亮度不斷提升，LED的散熱技術(shù)也一直在提升，1992年一顆LED的熱阻抗(Thermal Resistance)為360℃/W，之后降至125℃/W、75℃/W、15℃/W，而今已是到了每顆6℃/W～10℃/W的地步，更簡單說，以往 LED每消耗1瓦的電能，溫度就會增加360℃，現(xiàn)在則是相同消耗1瓦電能，溫度卻只上升6℃~10℃。 　　少顆數(shù)高亮度、多顆且密集排布是增熱元兇 　　既然亮度效率提升、散熱效率提升，那不是更加矛盾？應(yīng)當(dāng)更加沒有散熱問題不是?其實，應(yīng)當(dāng)更嚴(yán)格地說，散熱問題的加劇，不在高亮度，而是在高功率；不在傳統(tǒng)封裝，而在新封裝、新應(yīng)用上。 　　首先，過往只用來當(dāng)指示燈的LED，每單一顆的點亮(順向?qū)?電流多在5mA、30mA間，典型而言則為20mA，而現(xiàn)在的高功率型LED(注1)，則是每單一顆就會有330mA、1A的電流送入，「每顆用電」增加了十倍、甚至數(shù)十倍(注2)。 　　注1：現(xiàn)有高功率型LED的作法，除了將單一發(fā)光裸晶的面積增大外，也有實行將多顆裸晶一同封裝的作法。事實上有的白光LED即是在同一封裝內(nèi)放入紅、綠、藍(lán)3個原色的裸晶來混出白光。 　　注2：雖然各種LED的點亮(順向?qū)?電壓有異，但在此暫且忽略此一差異。 　　在相同的單顆封裝內(nèi)送入倍增的電流，發(fā)熱自然也會倍增，如此散熱情況當(dāng)然會惡化，但很不幸的，由于要將白光LED拿來做照相手機(jī)的閃光燈、要拿來做小型照明用燈泡、要拿來做投影機(jī)內(nèi)的照明燈泡，如此只是高亮度是不夠的，還要用上高功率，這時散熱就成了問題。上述的LED應(yīng)用方式，僅是使用少數(shù)幾顆高功率LED，閃光燈約1~4顆，照明燈泡約1~8顆，投影機(jī)內(nèi)10多顆，不過閃光燈使用機(jī)會少，點亮?xí)r間不長，單顆的照明燈泡則有較寬裕的周遭散熱空間，而投影機(jī)內(nèi)雖無寬裕散熱空間但卻可裝置散熱風(fēng)扇。 　　圖中為InGaN與AlInGaP兩種LED用的半導(dǎo)體材料，在各尖峰波長(光色)下的外部量子化效率圖，雖然最理想下可逼近40%，但若再將光取效率列入考慮，實際上都在15%、25%間，何況兩種材料在更高效率的部分都不在人眼感受性的范疇內(nèi)，范疇之下的僅有20%?？墒牵F(xiàn)在還有許多應(yīng)用是需要高亮度，但又需要將高亮度LED密集排列使用的，例如交通號志燈、訊息廣告牌的走馬燈、用LED組湊成的電視墻等，密集排列的結(jié)果便是不易散熱，這是應(yīng)用所造成的散熱問題。更有甚者，在液晶電視的背光上，既是使用高亮度LED，也要密集排列，且為了講究短小輕薄，使背部可用的散熱設(shè)計空間更加拘限，且若高標(biāo)要求來看也不應(yīng)使用散熱風(fēng)扇，因為風(fēng)扇的吵雜聲會影響電視觀賞的品味情緒。 　　散熱問題不解決有哪些副作用？ 　　倘若不解決散熱問題，而讓LED的熱無法排解，進(jìn)而使LED的工作溫度上升，如此會有什么影響嗎?關(guān)于此最主要的影響有二：(1)發(fā)光亮度減弱、(2)使用壽命衰減。舉例而言，當(dāng)LED的 p-n接面溫度(Junction Temperature)為25℃(典型工作溫度)時亮度為100，而溫度升高至75℃時亮度就減至80，到125℃剩60，到175℃時只剩40。很明顯的，接面溫度與發(fā)光亮度是呈反比線性的關(guān)系，溫度愈升高，LED亮度就愈轉(zhuǎn)暗。 　　溫度對亮度的影響是線性，但對壽命的影響就呈指數(shù)性，同樣以接面溫度為準(zhǔn)，若一直保持在50℃以下使用則LED有近20，000小時的壽命，75℃則只剩10，000小時，100℃剩5，000小時，125℃剩2，000小時，150℃剩1，000小時。溫度光從50℃變成2倍的100℃，使用壽命就從20，000小時縮成1/4倍的5，000小時，傷害極大。 　　裸晶層：光熱一體兩面的發(fā)散源頭：p-n接面 　　關(guān)于LED的散熱我們同樣從最核心處逐層向外討論，一起頭也是在p-n接面部分，解決方案一樣是將電能盡可能轉(zhuǎn)化成光能，而少轉(zhuǎn)化成熱能，也就是光能提升，熱能就降低，以此來降低發(fā)熱。如果更進(jìn)一步討論，電光轉(zhuǎn)換效率即是內(nèi)部量子化效率(Internal Quantum Efficiency;IQE)，今日一般而言都已有70%～90%的水平，真正的癥結(jié)在于外部量子化效率(External Quantum Efficiency;EQE)的低落。以Lumileds Lighting公司的Luxeon系列LED為例，Tj接面溫度為25℃，順向驅(qū)動電流為350mA，如此以InGaN而言，隨著波長(光色)的不同，其效率約在5%～27%之間，波長愈高效率愈低(草綠色僅5%，藍(lán)色則可至27%)，而AlInGaP方面也是隨波長而有變化，但卻是波長愈高效率愈高，效率大體從8%～40%(淡黃色為低，橘紅最高)。 　　從Lumileds公司Luxeon系列LED的橫切面可以得知，硅封膠固定住LED裸晶與裸晶上的熒光質(zhì)(若有用上熒光質(zhì)的話)，然后封膠之上才有透鏡，而裸晶下方用焊接(或?qū)岣?與硅子鑲嵌芯片(Silicon Sub-mount Chip)連接，此芯片也可強(qiáng)化ESD靜電防護(hù)性，往下再連接散熱塊，部分LED也直接裸晶底部與散熱塊相連。 　　Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶實行覆晶鑲嵌法，因此其藍(lán)寶石基板變成在上端，同時還加入一層銀質(zhì)作為光反射層，進(jìn)而增加光取出量，此外也在Silicon Submount內(nèi)制出兩個基納二極管(Zener Diode)，使LED獲得穩(wěn)壓效果，使運作表現(xiàn)更穩(wěn)定。由于增加光取出率(Extraction Efficiency，也稱：汲光效率、光取效率)也就等于減少熱發(fā)散率，等于是一個課題的兩面。 　　裸晶層：基板材料、覆晶式鑲嵌 　　如何在裸晶層面增加散熱性，改變材質(zhì)與幾何結(jié)構(gòu)再次成為必要的手段，關(guān)于此目前最常用的兩種方式是：1.換替基板(Substrate，也稱：底板、襯底，有些地方也稱為：Carrier)的材料。2.經(jīng)裸晶改采覆晶(Flip-Chip，也稱：倒晶)方式鑲嵌(mount)。先說明基板部分，基板的材料并不是說換就能換，必須能與裸晶材料相匹配才行，現(xiàn)有 AlGaInP常用的基板材料為GaAs、Si，InGaN則為SiC、Sapphire(并使用AlN做為緩沖層)。 　　為了強(qiáng)化LED的散熱，過去的FR4印刷電路板已不敷應(yīng)付，因此提出了內(nèi)具金屬核心的印刷電路板，稱為MCPCB，運用更底部的鋁或銅等熱傳導(dǎo)性較佳的金屬來加速散熱，不過也因絕緣層的特性使其熱傳導(dǎo)受到若干限制。對光而言，基板不是要夠透明使其不會阻礙光，就是在發(fā)光層與基板之間再加入一個反光性的材料層，以此避免「光能」被基板所阻礙、吸收，形成浪費，例如GaAs基板即是不透光，因此再加入一個DBR(Distributed Bragg Reflector)反射層來進(jìn)行反光。而Sapphire基板則是可直接反光，或透明的GaP基板可以透光。除此之外，基板材料也必須具備良好的熱傳導(dǎo)性，負(fù)責(zé)將裸晶所釋放出的熱，迅速導(dǎo)到更下層的散熱塊(Heat Slug)上，不過基板與散熱塊間也必須使用熱傳導(dǎo)良好的介接物，如焊料或?qū)岣?。同時裸晶上方的環(huán)氧樹脂或硅樹脂(即是指：封膠層)等也必須有一定的耐熱能力，好因應(yīng)從p-n接面開始，傳導(dǎo)到裸晶表面的溫度。除了強(qiáng)化基板外，另一種作法是覆晶式鑲嵌，將過去位于上方的裸晶電極轉(zhuǎn)至下方，電極直接與更底部的線箔連通，如此熱也能更快傳導(dǎo)至下方，此種散熱法不僅用在LED上，現(xiàn)今高熱的CPU、GPU也早就實行此道來加速散熱。 　　從傳統(tǒng)FR4 PCB到金屬核心的MCPCB 　　將熱導(dǎo)到更下層后，就過去而言是直接運用銅箔印刷電路板(Printed Circuit Board;PCB)來散熱，也就是最常見的FR4印刷電路基板，然而隨著LED的發(fā)熱愈來愈高，F(xiàn)R4印刷電路基板已逐漸難以消受，理由是其熱傳導(dǎo)率不夠(僅0.36W/m.K)。 　　為了改善電路板層面的散熱，因此提出了所謂的金屬核心的印刷電路板(l Core PCB、MCPCB)，即是將原有的印刷電路板附貼在另外一種熱傳導(dǎo)效果更好的金屬上(如：鋁、銅)，以此來強(qiáng)化散熱效果，而這片金屬位在印刷電路板內(nèi)，所以才稱為「l Core」，MCPCB的熱傳導(dǎo)效率就高于傳統(tǒng)FR4 PCB，達(dá)1W/m.K～2.2W/m.K。 　　不過，MCPCB也有些限制，在電路系統(tǒng)運作時不能超過140℃，這個主要是來自介電層(Dielectric Layer，也稱Insulated Layer，絕緣層)的特性限制，此外在制造過程中也不得超過250℃、300℃，這在過錫爐時前必須事先了解。 　　附注：雖然鋁、銅都是合適的熱導(dǎo)熱金屬，不過礙于成本多半是選擇鋁材質(zhì)。 　　IMS強(qiáng)化MCPCB在絕緣層上的熱傳導(dǎo) 　　MCPCB雖然比FR4 PCB散熱效果佳，但MCPCB的介電層卻沒有太好的熱傳導(dǎo)率，大體與FR4 PCB相同，僅0.3W/m.K，成為散熱塊與金屬核心板間的傳導(dǎo)瓶頸。為了改善此一情形，有業(yè)者提出了IMS(Insulated l Substrate，絕緣金屬基板)的改善法，將高分子絕緣層及銅箔電路以環(huán)氧方式直接與鋁、銅板接合，然后再將LED配置在絕緣基板上，此絕緣基板的熱傳導(dǎo)率就比較高，達(dá)1.1;2W/m.K，比之前高出3;7倍的傳導(dǎo)效率。更進(jìn)一步的，若絕緣層依舊被認(rèn)為是導(dǎo)熱性不佳，也有直接讓LED底部的散熱塊，透過在印刷電路板上的穿孔(Through Hole)作法，使其直接與核心金屬接觸，以此加速散熱。此作法很耐人尋味，因為過去的印刷電路板不是為插件組件焊接而鑿，就是為線路繞徑而鑿，如今卻是為散熱設(shè)計而鑿。 　　除了MCPCB、MCPCB+IMS法之外，也有人提出用陶瓷基板(Ceramic Substrate)，或者是所謂的直接銅接合基板(Direct Copper Bonded Substrate，簡稱：DBC)，或是金屬復(fù)合材料基板。無論是陶瓷基板或直接銅接合基板都有24～170W/m.K的高傳導(dǎo)率，其中直接銅接合基板更允許制程溫度、運作溫度達(dá)800℃以上，不過這些技術(shù)都有待更進(jìn)一步的成熟觀察。