大功率LED散熱原理

隨LED 高輝度化與高效率化技術發(fā)展,再加上藍光LED發(fā)光效率大幅改善,與LED制造成本持續(xù)下滑,讓LED應用范圍、及有意愿采用LED的產(chǎn)業(yè)范圍不斷擴增,包括液晶 、家電 、汽車等業(yè)者,也開始積極考慮應用LED的可能性,例如消費性產(chǎn)品業(yè)者對于大功率LED 的期待是,能達到省電、高輝度、長使用壽命、高色再現(xiàn)性,這代表著達到高散熱性能力,是高功率LED封裝基板不可欠缺的條件。

此外,液晶面板 企業(yè)面臨歐盟RoHS規(guī)范,需正視將冷陰極燈管全面無水銀化的環(huán)保壓力,造成市場對于大功率LED的需求更加急迫。

LED封裝除了保護內(nèi)部LED芯片 外,還兼具LED芯片與外部作電氣連接、散熱等功能。

環(huán)氧樹脂特性已不符合高功率LED需求

1個LED能達到幾百流明,這基本上不是大問題,主要的問題是,如何去處理散熱?接下來在產(chǎn)生這么大的流明后,如何維持亮度的穩(wěn)定與持續(xù)性,這又是另一個重要課題,若熱處理沒有做好的話,LED的亮度和壽命會下降很快,對于LED來說,如何做到有效的可靠度和熱傳導,是非常重要。

以往LED是使用低熱傳導率樹脂進行封裝,不過這被視為是影響散熱特性的原因之一,此外,環(huán)氧樹脂耐熱性比較差,可能會出現(xiàn)的情況是,在LED芯片本身的壽命未到達前,環(huán)氧樹脂就已呈現(xiàn)變色情況,因此,提高散熱性已是重要關鍵。

除此之外,不僅因為熱現(xiàn)象會對環(huán)氧樹脂產(chǎn)生變化,甚至短波長也會對環(huán)氧樹脂造成問題,這是因為白光LED 發(fā)光光譜中,也包含短波長光線,而環(huán)氧樹脂卻相當容易受白光LED中的短波長光線破壞,即使是低功率白光LED,已能使環(huán)氧樹脂破壞現(xiàn)象加劇,更何況大功率白光LED所發(fā)出的短波長光線更多,惡化自然比低功率款式更加快速,甚至有些產(chǎn)品在連續(xù)點亮后的使用壽命僅5,000小時,甚至更短!所以,與其不斷克服因舊有封裝材料環(huán)氧樹脂帶來的變色困擾,不如朝尋求新1代的封裝材料努力。

金屬基板成新焦點

因此最近幾年逐漸改用高熱傳導陶瓷,或是金屬樹脂封裝結構,就是為了解決散熱、與強化原有特性做的努力。LED芯片高功率化常用方式是：芯片大型化、改善發(fā)光效率、采用高取光效率的封裝、及大電流化。這類做法雖然電流發(fā)光量會呈比例增加,不過發(fā)熱量也會隨之上升。

對大功率LED封裝技術上而言,由于散熱的問題造成了一定程度的困擾,在此背景下具有高成本效益的金屬基板技術,就成了LED高效率化之后另1個備受關心的新發(fā)展。

過去由于LED輸出功率較小,因此使用傳統(tǒng)FR4等玻璃環(huán)氧樹脂封裝基板,并不會造成太大的散熱問題,但應用于照明用的大功率LED,其發(fā)光效率約為20%~30%左右,雖芯片面積相當小,整體消費電力也不高,不過單位面積的發(fā)熱量卻很大。

一般來說,樹脂基板的散熱,只能夠支持0.5W以下的LED,超過0.5W以上的LED,多改用金屬或陶瓷高散熱基板進行封裝,主要原因是,基板的散熱性直接影響LED壽命與性能,因此封裝基板成為設計高輝度LED商品的開發(fā)重點。

高功率加速金屬基板取代樹脂材料

關于LED封裝基板散熱設計,目前大致可以分成,LED芯片至封裝體的熱傳導、及封裝體至外部的熱傳達兩大部分。使用高熱傳導材時,封裝內(nèi)部的溫差會變小,此時熱流不會呈局部性集中,LED芯片整體產(chǎn)生的熱流,呈放射狀流至封裝內(nèi)部各角落,所以利用高熱傳導材料,可提高內(nèi)部的熱擴散性。

就熱傳導的改善來說,幾乎是完全仰賴材料提升來解決問題。大多數(shù)人認為,隨LED芯片大型化、大電流化、高功率化發(fā)展,會加速金屬封裝取代傳統(tǒng)樹脂封裝方式。

就目前金屬高散熱基板材料而言,可分成硬質(zhì)與可撓曲兩種基板,結構上,硬質(zhì)基板屬于傳統(tǒng)金屬材料,金屬LED封裝基板采鋁與銅等材料,絕緣層部分,大多采充填高熱傳導性無機填充物,擁有高熱傳導性、加工性、電磁波遮蔽性、耐熱沖擊性等金屬特性,厚度方面通常大于1mm,大多都廣泛應用在LED燈具 模塊,與照明模塊等,技術上是與鋁質(zhì)基板具相同高熱傳導能力,在高散熱要求下,相當有能力擔任高功率LED封裝材料。

積極開發(fā)可撓曲基板

可撓曲基板的出現(xiàn),原期望應用在汽車導航的LCD 背光模塊 薄形化需求而開發(fā),以及高功率LED可以完成立體封裝要求下產(chǎn)生,基本上可撓曲基板以鋁為材料,是利應用鋁的高熱傳導性與輕量化特性,制成高密度封裝基板,透過鋁質(zhì)基板薄板化后,達可撓曲特性,并且也能夠具高熱傳導特性

一般而言,金屬封裝基板熱傳導率大約是2W/mK,但由于高效率LED的熱效應更高,所以為了滿足達到4~6W/mK熱傳導率的需要,目前已有熱傳導率超過8W/mK的金屬封裝基板。由于硬質(zhì)金屬封裝基板主要目的是,能夠滿足大功率LED的封裝,因此各封裝基板業(yè)者正積極開發(fā)可以提高熱傳導率的技術。雖然利用鋁板質(zhì)補強板可以提高散熱性,不過卻有成本與組裝的限制,無法根本解決問題。

不過,金屬封裝基板的缺點是,金屬熱膨脹系數(shù)很大,當與低熱膨脹系數(shù)陶瓷芯片焊接時,容易受熱循環(huán)沖擊,所以當使用氮化鋁封裝時,金屬封裝基板可能會發(fā)生不協(xié)調(diào)現(xiàn)象,因此必需克服LED中,各種不同熱膨脹系數(shù)材料,所造成的熱應力差異,提高封裝基板的可靠性。