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大功率LED照明产品之散热技术介绍

:2018-08-23    :333

  照明应用趋势及散热问题由于固态光源(Solid State Lighting)技术不断进步,使近年来的发光效率提升,逐渐能取代传统光源,目前发光效率已追过白炽灯及卤素灯而持续向上成长,如图一所示。

图一、发光效率趋势比较

    而一些公司更已开发出效率突破100lm/W 的LED元件,这也使得LED的照明应用越来越广,不但已开始应用于室内及户外照明、手机背光模组及汽车方向灯等,更看好在高瓦数的投射灯及路灯等强光照明、大尺寸背光模组以及汽车头灯等的应用。由于拥有省电、环保及寿命长等优点,更使未来以光源为主流的趋势越趋明显。    

 

    为了让LED发更亮的光而需要输入更高的功率,然而目前的光电转换效率(Wall-Plug-Efficiency; WPE)值仍然有限,一般仅有约15~25% 的输入功率成为光,其馀则会转换成热能。由于LED晶片面积很小(~1mm2),因此使高功率LED单位面积的发热量(发热密度)非常高,甚至较一般的 IC 元件更为严重,也使得LED 晶片的接面温度(Junction Temperature)大为提升,容易造成过热问题。过高的晶片接面温度会使LED 的发光亮度降低,其中以红光的衰减最为明显。也会造成的波长偏移而影响演色性,更会造成LED可靠度的大幅降低,如图三所示,因此散热技术已成为目前技术发展的瓶颈。

图二、元件寿命和晶片温度的关系

 

图三、LED散热路径及热阻网路Chip Level 、Package Level 和PCB Level 的散热设计


    因此散热设计的挑战较大,必须从晶片层级、封装层级、PCB 层级到系统模组层级,都要非常重视散热设计,并寻求最佳的散热方桉。对于照明产品而言,由于系统端的散热限制较大,因此其它层级的散热需求就更明显。对于LED热传问题,最基本的分析方法就是利用热阻网路进行分析。也就是将由晶片热源到环境温度的主要散热路径建构热阻网路,如图四所示,然后分析各热阻值的特性及大小,如此可以推算理想状况时的晶片温度,并针对热阻网路各部分下对策以降低热阻值。需注意的是,图四是就Chip Level 、Package Level 、Board Level 及System Level 组成的热阻网路。实际分析时可依据系统结构组成更详细的热阻网路,例如考虑Die Attach 材料及Solder 等介面材料之热阻,或是散热模组结构之热阻值。

 

    由于晶片的Sapphire 基板导热特性较差,会造成图三之热阻值Rjs 过高,因此改善方式必须用高导热的材料如铜取代Sapphire ,或是採用覆晶方式将基板移开热传路径,以降低热阻值。目前在晶片到封装层级性能较佳的散热设计,包括共融合金基板及覆晶形式等设计,使热更容易从晶片传到封装中。而增加晶片尺寸以降低发热密度也是可行的方向。

 

    大功率LED的散热设计非常重要,关系到LED的发光的品质及使用寿命。透过热阻网路可迅速分析散热能力及需求并寻求散热对策,由于发热密度很大,必须从Chip Level、Package Level、Board Level到System Level 各层级进行散热设计,降低热阻,才能得到最佳的散热效果。目前国际上各大LED晶片及封装厂商都致力于发展发光效率更高的产品,透过提升光的量子效率等方式提升光电转换效率,以降低晶片发热量。为了使产品的发展及应用更为快速,相关的散热技术仍需同步发展。由于人类对于生活品质的需求不断提升,就如同IC 产品对于散热的需求一直存在,散热设计在各种的产品设计中仍将佔有重要的地位。




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