高功率LED的散熱設(shè)計與應(yīng)用趨勢分析

隨著全球的環(huán)保意識抬頭,白熾燈泡將采取逐漸減少用量的政策,以降低環(huán)境光源所造成的大量能源浪費問題,取而代之且最具替代優(yōu)勢的新世代光源,就屬led 產(chǎn)品莫屬。LED發(fā)展迄今已逐漸具備多項成熟優(yōu)勢,例如,省電、高效率、高反應(yīng)速度、壽命長,與全制程均不含汞的多項環(huán)保優(yōu)點,加上體積小、重量輕與可在各種表面設(shè)置等元件 特色,已成為全球燈具與元件廠積極開發(fā)的應(yīng)用光源,但實際上LED在我們所輸入的能源中,僅有兩成能源可以轉(zhuǎn)換為光能,剩下的八成能源多半形成廢熱散逸。

　　LED雖在元件有多項環(huán)保優(yōu)勢,但與一般白熾燈具一樣,燈具本身自己發(fā)光產(chǎn)生的熱,也會間接影響燈具自身的使用壽命,尤其是LED為點狀發(fā)光光源,其所產(chǎn)生的熱能也集中在極小的區(qū)域,若產(chǎn)生的高溫無法順利排解,那LED的結(jié)面溫度將會因此偏高,進而直接影響LED的使用壽命與發(fā)光表現(xiàn)。

　　LED的光衰問題 須透過輔助技術(shù)改善

　　LED雖是極具未來性的光源元件,即便具備壽命長優(yōu)點,但依舊仍有其壽命限制,尤其是大功率 的LED,因為其發(fā)光功率 高,所加諸的電力大,工作時間超長,甚至還必須放置于戶外應(yīng)用,在環(huán)境與元件本身的諸多限制,往往令其使用壽命大幅降低。

　　過去在元件的概念都以為,LED至少都有10萬小時壽命,其實目前的元件在實地應(yīng)用時,卻不見得能達到如此高標準的壽命表現(xiàn),其實問題的核心就在LED的光衰現(xiàn)象,一般而言,如果不考慮線路或是電源電路 的故障問題,LED元件本身若發(fā)光亮度 降低至原有的30%以下,就可以視此LED元件達到不堪用的程度。觀察LED的光衰現(xiàn)象,可以從多個層面討論,多數(shù)的白光LED 是由藍光 晶粒LED搭配光學 塑料摻雜黃色螢光粉所呈現(xiàn),以白光LED為例,其光衰現(xiàn)象就可以從藍光晶粒本身的光衰、與黃色螢光粉本身的光衰兩部分所組成。

　　在螢光粉的光衰問題,其實對于溫度的影響甚巨,而在晶粒的光衰問題,不同顏色的晶粒光衰現(xiàn)象亦有蠻大的差距,其光衰特性的差異視不同廠商、制程與螢光粉配方不同,都會影響其表現(xiàn),很難用一致性的討論來下定論,一般LED元件的光衰表現(xiàn)可透過LED的廠商的測試 數(shù)據(jù),檢視其光衰曲線圖大致確認元件特性。

　　元件溫度將直接影響使用壽命

　　一般而言,LED的結(jié)面溫度與發(fā)光效 率是兩組對立的數(shù)值,當結(jié)面溫度增加,發(fā)光效率也會持續(xù)降低,以實驗室的數(shù)據(jù)取一般LED為例作為參考,當結(jié)面溫度持續(xù)自室溫提升到100度時,發(fā)光效率將持續(xù)減低,最高可減少70%左右,如果取白光、藍光、紅光與黃光幾種常見LED光色產(chǎn)品進行評估,會發(fā)現(xiàn)黃光LED受熱造成的光衰現(xiàn)象更為顯著。

　　同時,若將關(guān)注焦點移轉(zhuǎn)至使用壽命部分進行微觀檢視,在測試數(shù)據(jù)可以很明顯發(fā)現(xiàn)在70度高溫上下運行時,LED的使用壽命即有75%衰退狀況!同理可證,若要讓LED發(fā)光源能達到最佳化的應(yīng)用表現(xiàn),不管是發(fā)光效率的提升、還是使用壽命的延長,LED「散熱」設(shè)計就成為相當重要的關(guān)鍵技術(shù)。

　　LED光源 最大的挑戰(zhàn)在克服光衰,光衰問題必須從散熱著手

　　觀察LED元件的結(jié)構(gòu)特性

　　想了解LED的散熱問題與待克服的技術(shù)瓶頸,就必須先針對LED結(jié)構(gòu)特性進行觀察,了解其運作是如何產(chǎn)生熱源,與在不加諸任何輔助散熱措施下,LED是透過何種方式處理所產(chǎn)生的熱源。

　　基本上LED為電流驅(qū)動 元件,發(fā)光的方式是于LED晶粒(Die)以共晶(Eutectic )、覆晶(Flip chip)或打金線的方式,把晶粒放置在基板上,而為了保護共晶、覆晶或打金線的線路與晶粒本身,外表覆上耐高溫的透明材料、或是光學材料。

　　從結(jié)構(gòu)上就能發(fā)現(xiàn),除了LED外覆光學材料的表面可透過接觸空氣進行熱交換的散熱行為外,LED在發(fā)光過程所產(chǎn)生的熱,亦可從晶粒上打的金線,直接傳導至焊接的主機板散逸熱源,此外,晶粒采共晶或覆晶所放置的System circuit board,透過表面接觸的熱傳導效果,也可散出絕大部分產(chǎn)生的熱源。

　　改善熱阻強化LED散熱 效率

　　討論LED散熱效率前需先理解熱阻(thermal resistance)問題,熱阻是物體對熱能傳導的阻礙程度,在單位表示上為℃/W,檢言之就是針對一個物體傳熱功率為1W,而導熱物件兩個端點的溫度差異,即為該物件的熱阻值,至于檢視LED的熱阻,則是討論在LED開啟發(fā)光后,當LED元件內(nèi)的晶粒熱量傳導趨于穩(wěn)定時,在芯片的表面以每1W進行散逸,在LED的晶粒P/N結(jié)點的聯(lián)機或散熱基板間的溫度差異,就成為LED的熱阻。

　　影響LED元件熱阻的因素很多,例如,LED的晶粒線路連接方式、架構(gòu),到光學覆蓋層的材料特性,都會影響LED熱阻值,而降低LED也是提升元件壽命的重要手段。此外,象是LED晶粒是采導熱膠或金屬直接相連,都會影響LED熱阻大小。

　　管狀與平板狀的LED燈具 設(shè)計,在主/