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大功率LED照明产 品之散热技术介绍

:2018-08-23    :333

  照明应 用趋势及散热问题由于固态光源(Solid State Lighting)技术不断进步,使近年来的发光效率提升,逐渐能取代传统光源,目前发 光效率已追过白炽灯及卤素灯而持续向上成长,如图一所示。

图一、发光效率趋势比较

    而一些 公司更已开发出效率突破100lm/W 的LED元件,这也使得LED的照明应用越来越广,不但已 开始应用于室内及户外照明、手机背 光模组及汽车方向灯等,更看好 在高瓦数的投射灯及路灯等强光照明、大尺寸 背光模组以及汽车头灯等的应用。由于拥有省电、环保及寿命长等优点,更使未 来以光源为主流的趋势越趋明显。    

 

    为了让LED发更亮 的光而需要输入更高的功率,然而目 前的光电转换效率(Wall-Plug-Efficiency; WPE)值仍然有限,一般仅有约15~25% 的输入功率成为光,其馀则会转换成热能。由于LED晶片面积很小(~1mm2),因此使高功率LED单位面积的发热量(发热密度)非常高,甚至较一般的 IC 元件更为严重,也使得LED 晶片的接面温度(Junction Temperature)大为提升,容易造成过热问题。过高的 晶片接面温度会使LED 的发光亮度降低,其中以 红光的衰减最为明显。也会造 成的波长偏移而影响演色性,更会造成LED可靠度的大幅降低,如图三所示,因此散 热技术已成为目前技术发展的瓶颈。

图二、元件寿 命和晶片温度的关系

 

图三、LED散热路径及热阻网路Chip Level 、Package Level 和PCB Level 的散热设计


    因此散 热设计的挑战较大,必须从晶片层级、封装层级、PCB 层级到系统模组层级,都要非 常重视散热设计,并寻求 最佳的散热方桉。对于照明产品而言,由于系 统端的散热限制较大,因此其 它层级的散热需求就更明显。对于LED热传问题,最基本 的分析方法就是利用热阻网路进行分析。也就是 将由晶片热源到环境温度的主要散热路径建构热阻网路,如图四所示,然后分 析各热阻值的特性及大小,如此可 以推算理想状况时的晶片温度,并针对 热阻网路各部分下对策以降低热阻值。需注意的是,图四是就Chip Level 、Package Level 、Board Level 及System Level 组成的热阻网路。实际分 析时可依据系统结构组成更详细的热阻网路,例如考虑Die Attach 材料及Solder 等介面材料之热阻,或是散 热模组结构之热阻值。

 

    由于晶片的Sapphire 基板导热特性较差,会造成图三之热阻值Rjs 过高,因此改 善方式必须用高导热的材料如铜取代Sapphire ,或是採 用覆晶方式将基板移开热传路径,以降低热阻值。目前在 晶片到封装层级性能较佳的散热设计,包括共 融合金基板及覆晶形式等设计,使热更 容易从晶片传到封装中。而增加 晶片尺寸以降低发热密度也是可行的方向。

 

    大功率LED的散热设计非常重要,关系到LED的发光 的品质及使用寿命。透过热 阻网路可迅速分析散热能力及需求并寻求散热对策,由于发热密度很大,必须从Chip Level、Package Level、Board Level到System Level 各层级进行散热设计,降低热阻,才能得 到最佳的散热效果。目前国际上各大LED晶片及 封装厂商都致力于发展发光效率更高的产品,透过提 升光的量子效率等方式提升光电转换效率,以降低晶片发热量。为了使 产品的发展及应用更为快速,相关的 散热技术仍需同步发展。由于人 类对于生活品质的需求不断提升,就如同IC 产品对 于散热的需求一直存在,散热设 计在各种的产品设计中仍将佔有重要的地位。




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