LED照明產(chǎn)品的散熱技術(shù)分析

LED 照明應(yīng)用趨勢(shì)及散熱問(wèn)題由于固態(tài)光源(Solid State Lighting)技術(shù)不斷進(jìn)步，使近年來(lái)LED 的發(fā)光效率提升，逐漸能取代傳統(tǒng)光源，目前發(fā)光效率已追過(guò)白熾燈及鹵素?zé)舳掷m(xù)向上成長(zhǎng)，如圖1所示。而一些公司更已開(kāi)發(fā)出效率突破100lm/W 的LED 元件，這也使得LED 的照明應(yīng)用越來(lái)越廣，不但已開(kāi)始應(yīng)用于室內(nèi)及戶外照明、手機(jī)背光模組及汽車(chē)方向燈等，更看好在高瓦數(shù)的投射燈及路燈等強(qiáng)光照明、大尺寸背光模組以及汽車(chē)頭燈等的應(yīng)用。由于擁有省電、環(huán)保及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，更使未來(lái)以LED 光源為主流的趨勢(shì)越趨明顯。

圖1 LED 發(fā)光效率趨勢(shì)比較

為了讓LED 發(fā)更亮的光而需要輸入更高的功率，然而目前高功率LED 的光電轉(zhuǎn)換效率(Wall-Plug-Efficiency; WPE)值仍然有限，一般僅有約15~25% 的輸入功率成為光，其馀則會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能。由于LED晶片面積很小(~1mm2)，因此使高功率LED單位面積的發(fā)熱量（發(fā)熱密度）非常高，甚至較一般的 IC 元件更為嚴(yán)重，也使得LED 晶片的接面溫度(Junction Temperature)大為提升，容易造成過(guò)熱問(wèn)題。過(guò)高的晶片接面溫度會(huì)使LED 的發(fā)光亮度降低，其中以紅光的衰減最為明顯。也會(huì)造成LED 的波長(zhǎng)偏移而影響演色性，更會(huì)造成LED 可靠度的大幅降低，如圖2所示，因此散熱技術(shù)已成為目前LED 技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

圖2 元件壽命和晶片溫度的關(guān)系

因此散熱設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)較大，必須從晶片層級(jí)、封裝層級(jí)、PCB 層級(jí)到系統(tǒng)模組層級(jí)，都要非常重視散熱設(shè)計(jì)，并尋求最佳的散熱方桉。對(duì)于LED 照明產(chǎn)品而言，由于系統(tǒng)端的散熱限制較大，因此其它層級(jí)的散熱需求就更明顯。

對(duì)于LED 熱傳問(wèn)題，最基本的分析方法就是利用熱阻網(wǎng)路進(jìn)行分析。也就是將LED 由晶片熱源到環(huán)境溫度的主要散熱路徑建構(gòu)熱阻網(wǎng)路，如圖3所示，然后分析各熱阻值的特性及大小，如此可以推算理想狀況時(shí)的晶片溫度，并針對(duì)熱阻網(wǎng)路各部分下對(duì)策以降低熱阻值。需注意的是，圖3是就Chip Level 、Package Level 、Board Level 及System Level 組成的熱阻網(wǎng)路。實(shí)際分析時(shí)可依據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成更詳細(xì)的熱阻網(wǎng)路，例如考慮Die Attach 材料及Solder 等介面材料之熱阻，或是散熱模組結(jié)構(gòu)之熱阻值。

圖3 LED 散熱路徑及熱阻網(wǎng)路

Chip Level 、Package Level 和PCB Level 的散熱設(shè)計(jì)

由于LED 晶片的Sapphire 基板導(dǎo)熱特性較差，會(huì)造成圖3之熱阻值Rjs 過(guò)高，因此改善方式必須用高導(dǎo)熱的材料如銅取代Sapphire ，或是采用覆晶方式將基板移開(kāi)熱傳路徑，以降低熱阻值。

目前在晶片到封裝層級(jí)性能較佳的散熱設(shè)計(jì)，包括共融合金基板及覆晶形式等設(shè)計(jì)，使熱更容易從晶片傳到封裝中。而增加晶片尺寸以降低發(fā)熱密度也是可行的方向。在封裝散熱設(shè)計(jì)技術(shù)上，利用高導(dǎo)熱金屬(Al, Cu..)的散熱座，如圖4所示，及高導(dǎo)熱陶瓷基板(AlN, SiC...)等設(shè)計(jì)則可將晶片的熱迅速擴(kuò)散，有效降低封裝熱阻值Rsc 。在PCB 層級(jí)的散熱設(shè)計(jì)上，和傳統(tǒng)PCB 不同的地方主要是由于LED 發(fā)熱密度太大，傳統(tǒng)FR4+ 銅箔層的散熱能力有限，因此需要藉由較厚的金屬層以降低擴(kuò)散熱阻(Spreading Resistance)，此種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為MCPCB (Metal Core PCB)。

MCPCB的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括較厚的金屬層、介電層及銅箔層。可將封裝的熱進(jìn)一步擴(kuò)散并迅速傳到系統(tǒng)模組的散熱元件，以縮小熱阻值 Rcb。

圖4 高功率LED 之封裝結(jié)構(gòu)及Heat Slug 結(jié)構(gòu)

圖5 MCPCB 結(jié)構(gòu)圖

為了降低元件熱阻值，目前一些設(shè)計(jì)採(cǎi)用Chip-on-board 的設(shè)計(jì)，直接將LED 晶片設(shè)計(jì)在MCPCB 上，而減少封裝材料及Solder 界面材料的熱阻值，因此提升散熱效果，目前許多公司的產(chǎn)品也採(cǎi)用此種設(shè)計(jì)方式(Lamina Inc., Citizen Inc., OSRAM Inc, Avago Technologies...)。然而，此種設(shè)計(jì)增加了光學(xué)設(shè)計(jì)的困難及造成製程可靠度問(wèn)題，設(shè)計(jì)上較為複雜。

散熱模組的散熱設(shè)計(jì)

圖6是一種LED 燈具的結(jié)構(gòu)及其較完整的熱阻網(wǎng)路相對(duì)關(guān)系圖，透過(guò)熱阻網(wǎng)路的建構(gòu)及計(jì)算，可以了解模組各部份的散熱情形，以進(jìn)行溫度計(jì)算評(píng)估或是散熱對(duì)策設(shè)計(jì)。LED 模組的散熱設(shè)計(jì)在PackageLevel 及Board Level 以傳導(dǎo)為主，因此如何縮短散熱路徑、提升熱傳導(dǎo)率以及傳熱面積是主要重點(diǎn)，而在System Level 則是以對(duì)流及輻射方式為主，由于LED 壽命高及低成本的要求，因此不需風(fēng)扇被動(dòng)形式的自然對(duì)流，是成本最低及可靠度最高的散熱方式，而以各階層的熱阻值在熱阻網(wǎng)路所佔(zhàn)的比例來(lái)看，由于自然對(duì)流散熱能力有限，因此由散熱模組散到空氣中的熱阻一般都佔(zhàn)了較重的比例。

圖6 LED 燈具之熱阻網(wǎng)路

和電子產(chǎn)品不同的是，一般電子產(chǎn)品系統(tǒng)有通風(fēng)口，因此PCB 可透過(guò)對(duì)流及輻射傳熱到空氣，而LED 照明產(chǎn)品許多是密閉的，因此限制了元件的散熱能力。由于散熱模組帶走熱的能力和散熱設(shè)計(jì)方式有很大關(guān)係，如何提升與空氣接觸面積、提升對(duì)流係數(shù)或是增加輻射熱傳效果是主要設(shè)計(jì)方向。在照明應(yīng)用時(shí)，由于一些機(jī)構(gòu)如接頭甚至外型等須符合傳統(tǒng)燈具規(guī)格（如MR16），以及重量的要求，因此更進(jìn)一步限制了散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，造成散熱的挑戰(zhàn)，也使在散熱設(shè)計(jì)時(shí)需要更為注意最佳化的設(shè)計(jì)。

新散熱技術(shù)的應(yīng)用

一些新的技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用于LED 照明，如利用合成式噴流(Synthetic Jet)原理製作的PAR-38 LED Lamp。和風(fēng)扇不同的是此設(shè)計(jì)利用膜片震盪，壓縮空氣通過(guò)噴嘴，利用一次噴流造成的負(fù)壓推動(dòng)中心噴流而增加流體流速，散熱效能較傳統(tǒng)風(fēng)扇散熱方式高。由于不需風(fēng)扇，因此可靠度提升，而噪音也小。利用日冕放電(Corona Discharge)原理製作的電流力幫浦(Electro-aerodynamic Pumping)為動(dòng)力的固態(tài)風(fēng)扇，利用帶電離子的迅速移動(dòng)產(chǎn)生對(duì)流，具有高風(fēng)量的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)功耗降低及提升可靠度，如圖十八所示。工研院電光所利用熱電元件作為L(zhǎng)ED 元件散熱應(yīng)用并實(shí)際整合于LED 模組封裝，利用固態(tài)的熱電冷卻原理(Peltier Effect)降低LED 晶片溫度，結(jié)果顯示熱電元件可大幅降低元件熱阻值，并提升發(fā)光亮度，如圖7所示。

圖7 整合熱電元件之LED 散熱設(shè)計(jì)

圖8 固態(tài)風(fēng)扇

此外也研究利用壓電風(fēng)扇等散熱技術(shù)，進(jìn)行高功率LED 散熱設(shè)計(jì)。而高散熱能力的微流道散熱能力可達(dá)500W，而微噴流的設(shè)計(jì)散熱能力也可達(dá)200W 以上，其應(yīng)用在未來(lái)值得重視。除了應(yīng)用新的散熱技術(shù)，新的散熱材料也開(kāi)始應(yīng)用于LED 照明散熱，例如可射出成型的