高功率LED散熱基板發(fā)展趨勢

    由于LED技術的進步，LED應用亦日漸多元化，由早期的電源指示燈，進展至具有省電、壽命長、可視度高等優(yōu)點之LED照明產品。然而由于高功率LED輸入功率僅有15至20%轉換成光，其余80至85%則轉換成熱，若這些熱未適時排出至外界，那么將會使LED晶粒界面溫度過高而影響發(fā)光效率及發(fā)光壽命。

       LED發(fā)展 散熱是關鍵

       隨著LED材料及封裝技術的不斷演進，促使LED產品亮度不斷提高，LED的應用越來越廣，并為LED產業(yè)提供一個穩(wěn)定成長的市場版圖。以LED作為顯示器的背光源，更是近來熱門的話題，從小尺寸顯示器背光源逐漸發(fā)展到中大尺寸LCD TV背光源，頗有逐步取代CCFL背光源的架勢。主要是LED在色彩、亮度、壽命、耗電度及環(huán)保訴求等均比傳統(tǒng)冷陰極管（CCFL）更具優(yōu)勢，因而吸引業(yè)者積極投入。

       早期單芯片LE D的功率不高，發(fā)熱量有限，熱的問題不大，因此其封裝方式相對簡單。但近年隨著LED材料技術的不斷突破，LED的封裝技術也隨之改變，從早期單芯片的炮彈型封裝逐漸發(fā)展成扁平化、大面積式的多芯片封裝模塊；其工作電流由早期20mA左右的低功率LED，進展到目前的1/3至1A左右的高功率LED，單顆LED的輸入功率高達1W以上，甚至到3W、5W。

       封裝方式更進化

       由于高亮度高功率LED系統(tǒng)所衍生的熱問題將是影響產品功能優(yōu)劣關鍵，要將LED組件的發(fā)熱量迅速排出至周遭環(huán)境，首先必須從封裝層級（L1& L2）的熱管理著手；目前的作法是將LED晶粒以焊料或導熱膏接著在一均熱片上，經由均熱片降低封裝模塊的熱阻抗，這也是目前市面上最常見的LED封裝模塊，主要來源有Lumileds、OSRAM、Cree 和Nicha等LED國際知名廠商。

       這些LED模塊在實際應用可組裝在一整排呈線光源，或作成數組排列或圓形排列，再接合在一片散熱基板上作為面光源。但對于許多終端的應用產品，如迷你型投影機、車用及照明用燈源，在特定面積下所需的流明量需超過上千流明或上萬流明，單靠單晶粒封裝模塊顯然不足以應付，走向多芯片LED封裝，及芯片直接黏著基板已是未來發(fā)展趨勢。

       在LED實際產品應用上，不論用于顯示器背光源、指示燈或一般照明，通常會視需要將多個LED組裝在一電路基板上。電路基板一方面扮演著承載LED模塊結構，另一方面，隨著LED輸出功率越來越高，基板還必須扮演散熱的角色，以將LED芯片產生的熱傳遞出去，在材料選擇上，因此必須兼顧結構強度及散熱需求。

       需顧慮材料成本

       傳統(tǒng)LED功率不大，散熱問題不嚴重，只要運用一般電子用的銅箔印刷電路板即足以應付，但隨著高功率LED越來越盛行，此板已不足以應付散熱需求，因此需再將印刷電路板貼附在一金屬板上，即所謂的Metal Core PCB，以改善其傳熱路徑。

       另外也有一種做法直接在鋁基板表面直接作絕緣層或稱介電層，再在介電層表面作電路層，如此LED模塊即可直接將導線接合在電路層上。同時為避免因介電層的導熱性不佳而增加熱阻抗，有時會采取穿孔方式，以便讓LED模塊底端的均熱片直接接觸到金屬基板，即所謂芯片直接黏著。

       除了金屬基板外，為因應高功率LED封裝及芯片直接粘著基板的發(fā)展，基板材料的選用除考慮散熱性外，還必須考慮與芯片的熱膨脹系數相匹配問題，以避免熱應力引起的熱變形及可靠度問題，因此目前國內外也在發(fā)展陶瓷基板及金屬復合基板等。這些新開發(fā)的基板材料不但具有良好的散熱性，同時熱膨脹系數（介于4~8ppm／K）與LED芯片均相匹配，唯一的缺點是價格均比一般的金屬基板貴。

      聚焦無風扇散熱

       其實，LED的散熱組件與CPU散熱相似，都是由散熱片、熱管、風扇及熱界面材料所組成的氣冷模塊為主，當然水冷也是熱對策之一。

       以當前最熱門的大尺寸LED TV背光模塊而言，40英寸及46英寸的LED背光源輸入功率分別為470W及550W，以其中的80%轉成熱來看，所需的散熱量約在360W及440W左右。如何將這些熱量帶走，有用水冷方式進行冷卻，但有高單價及可靠度等疑慮；也有用熱管配合散熱片及風扇來進行冷卻（如SONY 46” LED TV），但風扇耗電及噪音等問題。因此，如何設計無風扇的散熱方式便是決定未來誰能勝出的重要關鍵。