圖解：LED背光照明與散熱技術(shù)

當(dāng)led于60年代被使用后，過去因LED使用功率不高，只能拿來作為顯示燈及訊號燈，封裝散熱問題并未產(chǎn)生，但近年來使用于背光照明的LED，其亮度、功率皆持續(xù)的被提升，因此散熱逐漸成為LED照明產(chǎn)業(yè)的首要問題。

　　LED量產(chǎn)且被大量使用后，其發(fā)光亮度以突飛猛進的速度上升，由2001年的25lm/W，2006年6月日亞化學(xué)工業(yè)宣布實驗室可達(dá)134lm/W，2007年2月Lumileds公司可達(dá)到115lm/W，2008年7月歐司朗則研發(fā)可達(dá)到136lm/W之LED，Cree實驗室于2008年11月可達(dá)161lm/W，進步至2009年初，日亞化學(xué)工業(yè)發(fā)表的發(fā)光效率已可達(dá)249lm/W，而量產(chǎn)的LED于2010年將一舉突破100lm/W之水準(zhǔn)。

　　依據(jù)過去30年LED發(fā)展觀察，LumiledsLighting公司的RolandHaitz先生于2003年歸納出LED界的Moore(摩爾)定律—Haitz定律(如圖1所示)，說明LED約每18~24個月可提升一倍的亮度，以此定理推估10年內(nèi)LED亮度可以再提升20倍，而成本將可降90%以達(dá)到可完全取代現(xiàn)有照明技術(shù)，因此LED照明于近幾年火熱的被重視與探討。

　　LED背光照明

　　LED因耗電低、不含汞、壽命長、體積小、降低二氧化碳排放量等優(yōu)勢吸引國內(nèi)、外廠商極力推廣取代現(xiàn)有照明。LED主要照明可分為顯示背光、車用照明、交通號志與室內(nèi)室外照明，而背光模組于2009年被廣泛的應(yīng)用于筆記型電腦面板上，此后亦逐漸被使用到家用電視機，其約占了50%之面板模組零組件制造成本與消耗約70%顯示器之電能，故背光照明為顯示面板最重要的關(guān)鍵。然液晶顯示器無法自行發(fā)光，因此需要背光模組作為光線的來源，所以背光源的好壞會影響顯示的效果甚劇。加上面板需薄型化的因素，因此多以CCFL燈管作為背光源，而LED背光源比起CCFL有演色性佳、壽命長、反應(yīng)速度快等優(yōu)勢(如表1)。

　　再加上近年來由于全球提倡環(huán)保議題，各國政府的禁汞環(huán)保政策，如歐盟的WEEE與RoHS指令與中國的電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理辦法等陸續(xù)推行，也驅(qū)使小體積封裝之LED成為替代CCFL的最佳無汞燈源。又由于LED單位成本發(fā)光效率持續(xù)快速成長中，使得LED成本跌幅擴大，縮小了CCFL與LED的價差，也促使面板廠商開始大幅導(dǎo)入LED于背光模組。

　　基于上述理論，將LED元件熱阻擴大運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，所以除了自然對流外，還需輔以風(fēng)扇方式進行強制對流增加散熱。

　　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流和放射，利用通風(fēng)孔的熱空氣上升流動或風(fēng)散強制對流造成熱移動將熱量帶走。另外，由等效熱阻圖(圖3)可觀察出，散熱基板為整個背光散熱模組的傳遞核心，此說明將散熱基板熱阻降低，對整體的散熱效益提升就越明顯。 　

　

　　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”來取代藍(lán)寶石，進而提升散熱能力。

　　另外，改用越大尺寸的晶粒LED熱阻值就越小。二為固晶(DieBonding)方式，由打線(WireBonding)改為覆晶(Flip-Chip)，傳統(tǒng)LED封裝使用打線方式，但相對于金屬，藍(lán)寶石傳熱相當(dāng)慢，所以熱源會從金屬線傳導(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，進而降低整個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以炮彈型方式進行封裝，其散熱路徑中有一小部分熱源經(jīng)保護層往大氣方向散熱，大多熱源僅能透過金屬架往基板散熱，此封裝熱阻相當(dāng)?shù)卮?，達(dá)250~350℃/W。進而由表面貼合方式(SMD)于PCB基板上封裝，主要是藉由與基板貼合一起的FR4載板來導(dǎo)熱，利用增加散熱面積的方式來大幅降低其熱阻值。但此低成本的封裝要面臨的問題是，F(xiàn)R4本身熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，膨脹系數(shù)過高，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，運用貼附的鋁或銅等熱傳導(dǎo)性較佳的金屬來加速散熱，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分離線路，但絕緣材多有熱阻、熱膨脹系數(shù)過高的缺點，作為封裝高功率LED時較不適合。近期還有DBC(DirectBondCopper)與DPC(DirectPlatedCopper)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)，但密合強度、熱應(yīng)力與線路解析度等問題仍有待解決。

　　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HBLED散熱材料。

　　結(jié)論

　　隨著大尺寸薄型化LEDTV的市場需求逐年增加，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愈大，因此由大毅科技堅強的技術(shù)團隊于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，將滿足日益擴大的LEDTV背光模組散熱需求。