LED背光照明與散熱技術(shù)

圖2 LED元件垂直熱阻圖

基于上述理論，將LED元件熱阻擴(kuò)大運(yùn)用至背光散熱模組中，因大面積面板薄型化的需求，在極小空間中使用高熱源密度元件，所以除了自然對(duì)流外，還需輔以風(fēng)扇方式進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流增加散熱。

LED所產(chǎn)生的熱，大多經(jīng)由基板傳遞到載板散熱片上，再以水平方式迅速傳遞至整個(gè)載板之上，此熱最后垂直傳導(dǎo)到大面積的筐體上，促成筐體表面的熱對(duì)流和放射，利用通風(fēng)孔的熱空氣上升流動(dòng)或風(fēng)散強(qiáng)制對(duì)流造成熱移動(dòng)將熱量帶走。 另外，由等效熱阻圖(圖3)可觀察出，散熱基板為整個(gè)背光散熱模組的傳遞核心，此說(shuō)明將散熱基板熱阻降低，對(duì)整體的散熱效益提升就越明顯。

圖3 顯示面板背光等效熱阻

LED散熱封裝

降低LED熱累積的方式有主要有以下三種，一為改善晶粒特性，在晶粒制作階段，增加發(fā)光效率降低發(fā)熱的能量配置，此外傳統(tǒng)式晶片皆以藍(lán)寶石(sapphire)作為基板，其藍(lán)寶石的熱傳導(dǎo)系數(shù)約只有20W/mK，不易將磊晶層所產(chǎn)生的熱快速地排出至外部，因此Cree公司以具高熱傳導(dǎo)系數(shù)的“矽”來(lái)取代藍(lán)寶石，進(jìn)而提升散熱能力。

另外，改用越大尺寸的晶粒LED熱阻值就越小。 二為固晶(Die Bonding)方式，由打線(Wire Bonding)改為覆晶(Flip-Chip)，傳統(tǒng)LED封裝使用打線方式，但相對(duì)于金屬，藍(lán)寶石傳熱相當(dāng)慢，所以熱源會(huì)從金屬線傳導(dǎo)，但散熱效果不佳。 Lumileds公司將晶粒改以覆晶方式倒置于散熱基板上，欲排除藍(lán)寶石不要在熱傳導(dǎo)路徑上，并在幾何結(jié)構(gòu)上增加傳熱面積以降低熱阻。 三為封裝基板采用氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹及氮化硼等高導(dǎo)熱以及與LED熱膨脹系數(shù)匹配的材料，進(jìn)而降低整個(gè)散熱基板總熱阻方式。

以下將LED散熱封裝材料之比較列于表3，早期LED以炮彈型方式進(jìn)行封裝，其散熱路徑中有一小部分熱源經(jīng)保護(hù)層往大氣方向散熱，大多熱源僅能透過(guò)金屬架往基板散熱，此封裝熱阻相當(dāng)?shù)卮螅_(dá)250~350℃/W。 進(jìn)而由表面貼合方式(SMD)于PCB基板上封裝，主要是藉由與基板貼合一起的FR4載板來(lái)導(dǎo)熱，利用增加散熱面積的方式來(lái)大幅降低其熱阻值。 但此低成本的封裝要面臨的問(wèn)題是，F(xiàn)R4本身熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，膨脹系數(shù)過(guò)高，且為不耐高溫的材料，在高功率的LED封裝材料上不太適用。

因此，再發(fā)展出內(nèi)具金屬核心的印刷電路板(MetalCorePCB；MCPCB)，是將原印刷電路板貼附在金屬板上，運(yùn)用貼附的鋁或銅等熱傳導(dǎo)性較佳的金屬來(lái)加速散熱，此封裝技術(shù)可用于中階功率的LED封裝。 MCPCB的鋁基板雖有良好的導(dǎo)熱系數(shù)，但還需使用絕緣層來(lái)分離線路，但絕緣材多有熱阻、熱膨脹系數(shù)過(guò)高的缺點(diǎn)，作為封裝高功率LED時(shí)較不適合。 近期還有DBC(Direct Bond Copper)與DPC(Direct Plated Copper)技術(shù)被使用，DBC熱壓銅于陶瓷板技術(shù)雖有良好的散熱系數(shù)，但密合強(qiáng)度、熱應(yīng)力與線路解析度等問(wèn)題仍有待解決。

在陶瓷材料上以DPC成型之基板，具有耐高電壓、耐高溫、與LED熱膨脹系數(shù)匹配等優(yōu)勢(shì)外，還可將熱阻下降到10℃/W以下，故此為現(xiàn)今最合適用在封裝高密度排列之HB LED散熱材料。

結(jié)論

隨著大尺寸薄型化LED TV的市場(chǎng)需求逐年增加，其所需背光源的亮度也隨之增加，導(dǎo)致大量的高功率LED須于狹小電視筐體中緊密排列，使得高效率散熱基板的需求愈來(lái)愈大，因此由大毅科技堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)于2010年所研發(fā)出的以DPC基板技術(shù)大量生產(chǎn)的陶瓷散熱基板，將滿足日益擴(kuò)大的LED TV背光模組散熱需求。