标题: 高功率LED的散热设计与应用趋势分析 [打印本页]
作者: forsuccess 时间: 2013-2-12 22:29 标题: 高功率LED的散热设计与应用趋势分析
随著全球的环保意识抬头,白炽灯泡将采取逐渐减少用量的政策,以降低环境光源所造成的大量能源浪费问题,取而代之且最具替代优势的新世代光源,就属led 产品莫属。LED发展迄今已逐渐具备多项成熟优势,例如,省电、高效率、高反应速度、寿命长,与全制程均不含汞的多项环保优点,加上体积小、重量轻与可在各种表面设置等元件 特色,已成为全球灯具与元件厂积极开发的应用光源,但实际上LED在我们所输入的能源中,仅有两成能源可以转换为光能,剩下的八成能源多半形成废热散逸。
LED虽在元件有多项环保优势,但与一般白炽灯具一样,灯具本身自己发光产生的热,也会间接影响灯具自身的使用寿命,尤其是LED为点状发光光源,其所产生的热能也集中在极小的区域,若产生的高温无法顺利排解,那LED的结面温度将会因此偏高,进而直接影响LED的使用寿命与发光表现。
LED的光衰问题 须透过辅助技术改善
LED虽是极具未来性的光源元件,即便具备寿命长优点,但依旧仍有其寿命限制,尤其是大功率 的LED,因为其发光功率 高,所加诸的电力大,工作时间超长,甚至还必须放置于户外应用,在环境与元件本身的诸多限制,往往令其使用寿命大幅降低。
过去在元件的概念都以为,LED至少都有10万小时寿命,其实目前的元件在实地应用时,却不见得能达到如此高标准的寿命表现,其实问题的核心就在LED的光衰现象,一般而言,如果不考虑线路或是电源电路 的故障问题,LED元件本身若发光亮度 降低至原有的30%以下,就可以视此LED元件达到不堪用的程度。观察LED的光衰现象,可以从多个层面讨论,多数的白光LED 是由蓝光 晶粒LED搭配光学 塑料掺杂黄色萤光粉所呈现,以白光LED为例,其光衰现象就可以从蓝光晶粒本身的光衰、与黄色萤光粉本身的光衰两部分所组成。
在萤光粉的光衰问题,其实对于温度的影响甚巨,而在晶粒的光衰问题,不同颜色的晶粒光衰现象亦有蛮大的差距,其光衰特性的差异视不同厂商、制程与萤光粉配方不同,都会影响其表现,很难用一致性的讨论来下定论,一般LED元件的光衰表现可透过LED的厂商的测试 数据,检视其光衰曲线图大致确认元件特性。
元件温度将直接影响使用寿命
一般而言,LED的结面温度与发光效 率是两组对立的数值,当结面温度增加,发光效率也会持续降低,以实验室的数据取一般LED为例作为参考,当结面温度持续自室温提升到100度时,发光效率将持续减低,最高可减少70%左右,如果取白光、蓝光、红光与黄光几种常见LED光色产品进行评估,会发现黄光LED受热造成的光衰现象更为显著。
同时,若将关注焦点移转至使用寿命部分进行微观检视,在测试数据可以很明显发现在70度高温上下运行时,LED的使用寿命即有75%衰退状况!同理可证,若要让LED发光源能达到最佳化的应用表现,不管是发光效率的提升、还是使用寿命的延长,LED「散热」设计就成为相当重要的关键技术。
LED光源 最大的挑战在克服光衰,光衰问题必须从散热着手
观察LED元件的结构特性
想了解LED的散热问题与待克服的技术瓶颈,就必须先针对LED结构特性进行观察,了解其运作是如何产生热源,与在不加诸任何辅助散热措施下,LED是透过何种方式处理所产生的热源。
基本上LED为电流驱动 元件,发光的方式是于LED晶粒(Die)以共晶(Eutectic )、覆晶(Flip chip)或打金线的方式,把晶粒放置在基板上,而为了保护共晶、覆晶或打金线的线路与晶粒本身,外表覆上耐高温的透明材料、或是光学材料。
从结构上就能发现,除了LED外覆光学材料的表面可透过接触空气进行热交换的散热行为外,LED在发光过程所产生的热,亦可从晶粒上打的金线,直接传导至焊接的主机板散逸热源,此外,晶粒采共晶或覆晶所放置的System circuit board,透过表面接触的热传导效果,也可散出绝大部分产生的热源。
改善热阻强化LED散热 效率
讨论LED散热效率前需先理解热阻(thermal resistance)问题,热阻是物体对热能传导的阻碍程度,在单位表示上为℃/W,检言之就是针对一个物体传热功率为1W,而导热物件两个端点的温度差异,即为该物件的热阻值,至于检视LED的热阻,则是讨论在LED开启发光后,当LED元件内的晶粒热量传导趋于稳定时,在芯片的表面以每1W进行散逸,在LED的晶粒P/N结点的联机或散热基板间的温度差异,就成为LED的热阻。
影响LED元件热阻的因素很多,例如,LED的晶粒线路连接方式、架构,到光学覆盖层的材料特性,都会影响LED热阻值,而降低LED也是提升元件寿命的重要手段。此外,象是LED晶粒是采导热胶或金属直接相连,都会影响LED热阻大小。
管状与平板状的LED灯具 设计,在主/被动散热机制都是延长寿命的关键
高功率LED元件 改善散热的处理手段
检视目前的LED散热改善手段的处理技术瓶颈,其实LED晶粒外部的光学材料所能改善的热交换效率有限,这是碍于勿理性的限制,改善幅度相当有限,反而是作为基板的System circuit board和晶粒上为了导通供应驱动电力的金线,算是可大幅改善LED元件散热效率的重要关键处,尤其是基础载板的散热效能改善,投入的改善措施其效益最为显著、实际。
而目前也有LED元件厂,尝试从金线下手,将金线距离缩短、线径增大,藉此提升LED核心晶粒的散热效能,但LED封装 手法的改善效果有限,在成本与效益上仍未能如透过基础载板的散热改善措施来得更具效益。
而LED的散热措施,观察LED元件构造会发现,散热的关键会只剩下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载板两个改善手段,基本上承载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板载板散热关系,则是一般LED模块 厂所关注的散热改善重点。
解决LED核心热源的散热处理方式
在LED晶粒基板部分,主要是将LED晶粒在发光过程所产生的核心热源,快速传导到外部的重要关键,一般基于散热考量,在高功率的LED元件方面,多数会采取散热效率相对较佳的陶瓷基板为主,目前有薄膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷、 厚膜陶瓷基板等基板制法,高功率会产生高热的高亮度元件,多数都采行 低温共烧多层陶瓷或厚膜陶瓷基板,透过基础载台本身的高热传导效率,去提升将核心晶粒在发光历程所产生的高热,快速传导到元件外部。
从此可以理解,陶瓷散热基板可以说是能将LED元件本身的散热条件,一举提升的制程材料改善手段,也是目前高功率LED的制作方式,亦有必要针对此进行深入说明。
LED薄膜陶瓷基板
与低温共烧多层陶瓷、厚膜陶瓷基板基板技术不同的是,薄膜陶瓷基板则是采取溅镀手段或是化学沈积方式,或佐以黄光微影制程制作,其中,透过黄光微影会使线路精密度方面远远超越低温共烧多层陶瓷与厚膜陶瓷基板制作方式,而300度低温制程可避免陶瓷基板的体积变异问题,虽然优点较多,其制作成本也相对增加。
LED低温共烧多层陶瓷
低温共烧多层陶瓷基板技术是采取用陶瓷材料,作为基板基础材料的手段,制作方式是预先将相关线路透过网印手法印刷在基板表面,进而整合多层陶瓷基板制作,而最后的制程阶段则是应用低温烧结制作而成。
但低温共烧多层陶瓷基板的制作手段繁复,加上金属线路部分为采用网印方式处理,在对位误差和精确度部分仍会出现可能的技术限制,而多层陶瓷结构经过烧结制作过程,也会遭遇热胀、冷缩的问题,若想在低温共烧多层陶瓷基板上再应用需针对对位极为精准要求的覆晶制作LED元件产品,其终端产品的良率提升将是一大挑战。
LED厚膜陶瓷基板
厚膜陶瓷基板同样也是采取网印方式制作,其工法是预先将材料印制到基板表面,当印刷内容物干燥后,基板再经由烧结程序、雷射处理等步骤,完成厚膜陶瓷基板整个制作流程。
与低温共烧多层陶瓷一样,厚膜陶瓷基板一样会遭遇到精密度的问题,尤其是对位会有误差、线路型态较为粗糙,在产品不断要求集积化、小型化的趋势下,厚膜陶瓷基板的制作方式将会遭遇产品小型化的严苛挑战,同样在面对共晶、覆晶的制作需求时,厚膜陶瓷基板也会有对位与精确度的物理限制存在。
但前述也有提到,透过打金线的方式改善,再搭配特殊陶瓷基板的模式,对于LED元件散热具有相当大的效益,但金线连结的散热效能仍相当有限,近来也有多种解决方案针对此进行改善,例如采用具高散热系数的基板材料,如以碳化硅基板或矽基板取代传统的氧化铝材质,或改用氮化铝或阳极化铝基板等手段,藉此达到内部高效散热目的。
高功率LED元件 模块厂的散热设计手段
而在系统电路板的部份,多半是模块厂著墨较多的改善角度,早期LED模块产品大多使用PCB 材料作为架构基础,但实际上PCB材料的散热效率有限,近来针对高效能LED光源模块多数已逐渐导入具高效导热的金属基板材质取代PCB,例如铝基板(MCPCB)或是其它利用金属材料强化的应用基板,除了系统电路板本身的应用材质改变外,为了近一步强化散热与热交换效率,于模块外部也会采取设置铝挤型散热鳍片,或主动式散热风扇,透过强制气冷的手段强化加速热散逸的目的。
各式高功率LED灯具模块
在LED元件的核心,也有尝试透过改善金线的制作逻辑,改用覆晶或共晶的模式将晶粒与外部进行连结,取得供应电源 的设计方式,而透过此法所制成的LED元件,内部连接晶粒的导线从点的接触一举变成面的连结,热传导的基础条件大幅强化,自然也能加速内部的热源散逸到元件外部!但共晶或覆晶的制程手段成本较高,对于基板的精密度要求极高,假若基板的平整度不佳,也会影响后段成品的良率表现,其技术成熟度仍需要时间考验
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