大功率LED散熱原理

隨LED 高輝度化與高效率化技術(shù)發(fā)展,再加上藍光LED發(fā)光效率大幅改善,與LED制造成本持續下滑,讓LED應用范圍、及有意愿采用LED的產(chǎn)業(yè)范圍不斷擴增,包括液晶 、家電 、汽車(chē)等業(yè)者,也開(kāi)始積極考慮應用LED的可能性,例如消費性產(chǎn)品業(yè)者對于大功率LED 的期待是,能達到省電、高輝度、長(cháng)使用壽命、高色再現性,這代表著(zhù)達到高散熱性能力,是高功率LED封裝基板不可欠缺的條件。

此外,液晶面板 企業(yè)面臨歐盟RoHS規范,需正視將冷陰極燈管全面無(wú)水銀化的環(huán)保壓力,造成市場(chǎng)對于大功率LED的需求更加急迫。

LED封裝除了保護內部LED芯片 外,還兼具LED芯片與外部作電氣連接、散熱等功能。

環(huán)氧樹(shù)脂特性已不符合高功率LED需求

1個(gè)LED能達到幾百流明,這基本上不是大問(wèn)題,主要的問(wèn)題是,如何去處理散熱?接下來(lái)在產(chǎn)生這么大的流明后,如何維持亮度的穩定與持續性,這又是另一個(gè)重要課題,若熱處理沒(méi)有做好的話(huà),LED的亮度和壽命會(huì )下降很快,對于LED來(lái)說(shuō),如何做到有效的可靠度和熱傳導,是非常重要。

以往LED是使用低熱傳導率樹(shù)脂進(jìn)行封裝,不過(guò)這被視為是影響散熱特性的原因之一,此外,環(huán)氧樹(shù)脂耐熱性比較差,可能會(huì )出現的情況是,在LED芯片本身的壽命未到達前,環(huán)氧樹(shù)脂就已呈現變色情況,因此,提高散熱性已是重要關(guān)鍵。

除此之外,不僅因為熱現象會(huì )對環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)生變化,甚至短波長(cháng)也會(huì )對環(huán)氧樹(shù)脂造成問(wèn)題,這是因為白光LED 發(fā)光光譜中,也包含短波長(cháng)光線(xiàn),而環(huán)氧樹(shù)脂卻相當容易受白光LED中的短波長(cháng)光線(xiàn)破壞,即使是低功率白光LED,已能使環(huán)氧樹(shù)脂破壞現象加劇,更何況大功率白光LED所發(fā)出的短波長(cháng)光線(xiàn)更多,惡化自然比低功率款式更加快速,甚至有些產(chǎn)品在連續點(diǎn)亮后的使用壽命僅5,000小時(shí),甚至更短!所以,與其不斷克服因舊有封裝材料環(huán)氧樹(shù)脂帶來(lái)的變色困擾,不如朝尋求新1代的封裝材料努力。

金屬基板成新焦點(diǎn)

因此最近幾年逐漸改用高熱傳導陶瓷,或是金屬樹(shù)脂封裝結構,就是為了解決散熱、與強化原有特性做的努力。LED芯片高功率化常用方式是：芯片大型化、改善發(fā)光效率、采用高取光效率的封裝、及大電流化。這類(lèi)做法雖然電流發(fā)光量會(huì )呈比例增加,不過(guò)發(fā)熱量也會(huì )隨之上升。

對大功率LED封裝技術(shù)上而言,由于散熱的問(wèn)題造成了一定程度的困擾,在此背景下具有高成本效益的金屬基板技術(shù),就成了LED高效率化之后另1個(gè)備受關(guān)心的新發(fā)展。

過(guò)去由于LED輸出功率較小,因此使用傳統FR4等玻璃環(huán)氧樹(shù)脂封裝基板,并不會(huì )造成太大的散熱問(wèn)題,但應用于照明用的大功率LED,其發(fā)光效率約為20%~30%左右,雖芯片面積相當小,整體消費電力也不高,不過(guò)單位面積的發(fā)熱量卻很大。

一般來(lái)說(shuō),樹(shù)脂基板的散熱,只能夠支持0.5W以下的LED,超過(guò)0.5W以上的LED,多改用金屬或陶瓷高散熱基板進(jìn)行封裝,主要原因是,基板的散熱性直接影響LED壽命與性能,因此封裝基板成為設計高輝度LED商品的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。

高功率加速金屬基板取代樹(shù)脂材料

關(guān)于LED封裝基板散熱設計,目前大致可以分成,LED芯片至封裝體的熱傳導、及封裝體至外部的熱傳達兩大部分。使用高熱傳導材時(shí),封裝內部的溫差會(huì )變小,此時(shí)熱流不會(huì )呈局部性集中,LED芯片整體產(chǎn)生的熱流,呈放射狀流至封裝內部各角落,所以利用高熱傳導材料,可提高內部的熱擴散性。

就熱傳導的改善來(lái)說(shuō),幾乎是完全仰賴(lài)材料提升來(lái)解決問(wèn)題。大多數人認為,隨LED芯片大型化、大電流化、高功率化發(fā)展,會(huì )加速金屬封裝取代傳統樹(shù)脂封裝方式。

就目前金屬高散熱基板材料而言,可分成硬質(zhì)與可撓曲兩種基板,結構上,硬質(zhì)基板屬于傳統金屬材料,金屬LED封裝基板采鋁與銅等材料,絕緣層部分,大多采充填高熱傳導性無(wú)機填充物,擁有高熱傳導性、加工性、電磁波遮蔽性、耐熱沖擊性等金屬特性,厚度方面通常大于1mm,大多都廣泛應用在LED燈具 模塊,與照明模塊等,技術(shù)上是與鋁質(zhì)基板具相同高熱傳導能力,在高散熱要求下,相當有能力擔任高功率LED封裝材料。

積極開(kāi)發(fā)可撓曲基板

可撓曲基板的出現,原期望應用在汽車(chē)導航的LCD 背光模塊 薄形化需求而開(kāi)發(fā),以及高功率LED可以完成立體封裝要求下產(chǎn)生,基本上可撓曲基板以鋁為材料,是利應用鋁的高熱傳導性與輕量化特性,制成高密度封裝基板,透過(guò)鋁質(zhì)基板薄板化后,達可撓曲特性,并且也能夠具高熱傳導特性

一般而言,金屬封裝基板熱傳導率大約是2W/mK,但由于高效率LED的熱效應更高,所以為了滿(mǎn)足達到4~6W/mK熱傳導率的需要,目前已有熱傳導率超過(guò)8W/mK的金屬封裝基板。由于硬質(zhì)金屬封裝基板主要目的是,能夠滿(mǎn)足大功率LED的封裝,因此各封裝基板業(yè)者正積極開(kāi)發(fā)可以提高熱傳導率的技術(shù)。雖然利用鋁板質(zhì)補強板可以提高散熱性,不過(guò)卻有成本與組裝的限制,無(wú)法根本解決問(wèn)題。

不過(guò),金屬封裝基板的缺點(diǎn)是,金屬熱膨脹系數很大,當與低熱膨脹系數陶瓷芯片焊接時(shí),容易受熱循環(huán)沖擊,所以當使用氮化鋁封裝時(shí),金屬封裝基板可能會(huì )發(fā)生不協(xié)調現象,因此必需克服LED中,各種不同熱膨脹系數材料,所造成的熱應力差異,提高封裝基板的可靠性。