詳解各種LED散熱技術(shù) 洞悉LED燈具散熱策略

標(biāo)簽：LED 照明 光源

發(fā)光二極管(led)具備輕薄、省電、環(huán)保、點(diǎn)亮反應(yīng)快、長壽命等特點(diǎn)，加上在成本續(xù)降之下，光輸出與功率仍不斷提升，促使LED照明的市場接受度與日俱增，從交通號志指示燈至大尺寸背光源，進(jìn)展到各種照明用途如車頭燈、室內(nèi)外照明燈具等。現(xiàn)階段LED發(fā)光效率已突破每瓦100流明，足以取代耗電的白熾燈、鹵素?zé)?，甚至是熒光燈與高壓氣體放電燈。

伴隨著高功率LED技術(shù)迭有進(jìn)展，LED尺寸逐漸縮小，熱量集中在小尺寸芯片內(nèi)，且熱密度更高，致使LED面臨日益嚴(yán)苛的熱管理考驗(yàn)。為降低LED熱阻，其散熱必須由芯片層級(Chip LevEL)、封裝層級(Package Level)、散熱基板層級(Board Level)到系統(tǒng)層級(System Level)，針對每一個環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化的散熱設(shè)計(jì)，以獲得最佳的散熱(圖1)。

圖1 LED散熱策略

圖2 高功率LED剖面圖

從圖2中，可以了解整個高功率LED組件溫度定義，并利用公式1計(jì)算LED總熱阻值。其中Rj-a為芯片與空氣之間的熱阻值(K/W)，此部分的熱阻由芯片和封裝造成，屬于磊晶廠及封裝廠商負(fù)責(zé)范疇。Rsp-h為散熱基板與散熱鰭片之間的熱阻值(K/W);Rh-a為散熱鰭片與空氣端的熱阻值(K/W)，Rsp-h及Rh-a為燈具系統(tǒng)商所負(fù)責(zé)的區(qū)域，以下將針對各關(guān)鍵組件進(jìn)行散熱策略探討。

藉尺寸/材料改善芯片散熱

LED芯片發(fā)光同時亦會產(chǎn)生熱能(光電轉(zhuǎn)換效率約為25～35%)，造成芯片溫度(Tj)提高，然LED所產(chǎn)生的熱能是透過下方的傳熱底座傳導(dǎo)(Tsp)，因此當(dāng)LED點(diǎn)亮?xí)r，若無法快速與有效的將熱量帶走，將會造成亮度降低、壽命變短及波長飄移，甚至造成LED損壞，圖3為科瑞(Cree)EZ1000的芯片示意圖。

圖3 Cree-EZ1000的芯片示意圖

芯片的散熱策略可大致歸納為增加芯片尺寸和改變材料結(jié)構(gòu)兩種，芯片的熱阻計(jì)算為Rchip=Lchip/(Kchip×Achip)，其中Lchip為熱傳路徑的長度(藍(lán)寶石基板厚度為100微米);Kchip為總熱導(dǎo)系數(shù)(藍(lán)寶石約為35～40W/mK);Achip為熱傳路徑的截面積(40mil=1mm2)。根據(jù)上式，若將藍(lán)寶石基板厚度由100微米縮短至80微米，芯片熱阻可降低20%，但不能無限制的縮短造成晶圓片破片。另外，若將Kchip值提高至280W/mK(SiC)，芯片熱阻可降低87.5%。因此，透過改變材料結(jié)構(gòu)是目前較有效降低芯片熱阻的方式。

FR4散熱基板成主流

一般對于常見LED的散熱基板，大致可區(qū)分為傳統(tǒng)印刷電路板環(huán)氧玻璃纖維板(FR4)、金屬基印刷電路板(MCPCB)、陶瓷基板(AL2O3)及復(fù)合基板四種(表1)。 由于傳統(tǒng)FR4的銅箔層散熱能力有限，必須藉由較厚的金屬層降低擴(kuò)散熱阻(Spreading Resistance)。另外再藉由介電層(Dielectrics)設(shè)計(jì)提高軸向上的熱傳速率，將熱能迅速傳導(dǎo)至散熱鰭片。從價(jià)格和量產(chǎn)觀點(diǎn)來看，印刷電路板優(yōu)于其他基板，但其熱傳導(dǎo)系數(shù)低(熱阻值高)，不利于LED散熱，針對此缺點(diǎn)可透過以下幾種方式進(jìn)行改善：

合并導(dǎo)熱孔降低熱阻值

在LED的傳熱底座及周邊范圍，加上導(dǎo)熱孔，并在其周圍鍍上一層銅箔層(35微米)，利用銅的高導(dǎo)熱性，將傳熱底座的熱能快速傳遞至下方的散熱鰭片，以降低FR4散熱基板熱阻值達(dá)7K/W(圖4)。

圖4 FR4合并導(dǎo)熱孔

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合并導(dǎo)熱孔/導(dǎo)熱材料有助于縮減成本

利用類似第一種的制作程序，只是導(dǎo)熱孔內(nèi)加入高導(dǎo)熱系數(shù)的材料，并在導(dǎo)熱孔的上、下面與其周圍鍍上一層銅箔層(35微米)，藉由孔內(nèi)的導(dǎo)熱材料與孔周圍的銅箔層，將傳熱底座的熱能快速傳遞至下方的散熱鰭片，降低FR4散熱基板熱阻值至3K/W(圖5)。散熱基板實(shí)體圖如圖6所示。

圖5 FR4合并導(dǎo)熱孔及導(dǎo)熱材料

圖6 FR4散熱基板實(shí)體圖