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發光二極體:發光二極體的散熱技術

98/03/04 瀏覽次數 24650
技術突飛猛進

由於發光二極體(LED)技術的突飛猛進,加上相關周邊積體電路控制元件及散熱技術的日漸成熟,使得 LED 的應用日漸多元化。從早期低功率的電源指示燈及手機按鍵光源,進展至耗電低、壽命長、演色度高的 LED 背光模組與一般照明產品。隨著應用範圍的日益廣泛,LED 產品對發光效率的需求也隨著提升,由 2006 年的每瓦產生 50 流明提高到 2008 年的 100 流明(白熾燈泡發光效率每瓦約 8 ~ 10 流明,日光燈則每瓦約 80 流明)。

發光二極體除了由於耗電低、不含汞、壽命長、二氧化碳排放量低等優勢吸引國內、外廠商的目光外,全球各國政府禁用汞的環保政策(如歐盟的 WEEE 與 RoHS 指令),也驅使各廠商加緊投入白光發光二極體的研發與應用。在全球環保風潮方興未艾之際,被喻為綠色光源的 LED 可符合全球的主流趨勢。

然而目前高功率發光二極體的輸入功率僅有 20% 會轉換成光,其餘 80% 則轉變成為熱。若這些熱未能及時排出至外界,會使輕薄短小的 LED(高功率晶粒尺寸約為 1 釐米見方)晶粒界面溫度過高,而降低發光效率及壽命。

封裝結構與散熱途徑

隨著 LED 晶粒亮度的提升,單顆發光二極體的功耗瓦數也從數十微瓦提高至 1 瓦、3 瓦,甚至 5 瓦以上。為了避免這些熱量累積,必須把熱快速傳到外界,因此 LED 封裝模組的熱阻抗勢必得由早期的每瓦 250℃ 至 350℃,大幅降低至現在的小於每瓦 5℃。

熱阻抗的定義是,某物質在一瓦的熱量下兩側所能維持的溫度差。以功率 60 微瓦,熱阻抗每瓦 250℃ 的材料封裝 LED 為例,晶粒界面溫度可估算為 250℃/瓦 × 0.060瓦 + 室溫(25℃) = 40℃。若把功率提高為 0.5 瓦,其晶粒界面溫度將高達攝氏 150 度,發光二極體元件會嚴重受損。

由於高功率技術的發展,使得 LED 面臨到日益嚴苛的熱管理挑戰,溫度升高時不僅會造成亮度下降,且超過攝氏 100 度時會加速本體及封裝材料的劣化。因此 LED 元件本身的散熱技術必須進一步改善,以滿足高功率發光二極體的散熱需求。

熱的傳遞可分為熱傳導、對流及輻射 3 種方式。熱傳導是指在固體介質中,熱流由高溫處傳遞至低溫處的現象。不同的介質有不同的傳熱效果,一般來說,金屬與陶瓷材料具有較佳的導熱能力。此外,物體的截面積大,也有助於熱的傳導。

熱對流是物體在流體介質中,熱量被較冷的流體帶走而達到熱傳遞的行為。高溫物體靜置在空氣中、冷卻水內或以風扇降溫,都屬於熱對流的傳遞。較低的流體溫度、較高的流體流速及較大的接觸面積,都有助於熱對流的效果。基本上,增加散熱面積、使用較佳熱傳導的材料及搭配風扇,都是目前解決發光二極體散熱問題常用的方法。

早期的砲彈型 LED 的熱源,除了小部分經由熱傳導不佳的樹酯往大氣散出外,其餘的僅能透過細小的導線朝基板散發,其封裝熱阻抗較大(約 250 ~ 350℃/瓦),因此僅能適用於小功率發光二極體的封裝。平板型 LED 由於與基板貼合在一起而增加散熱面積,除了往大氣方向散熱之外,也可經由基板方向加速散熱而大幅降低熱阻抗,因此是目前大功率 LED 所採用的主要封裝形式。平板型發光二極體封裝也可結合散熱片或更大面積的鰭片來增加散熱面積,進一步降低 LED 晶粒界面溫度。

散熱基板

散熱較好的平板型LED封裝仍需搭配散熱片增加散熱面積,甚至用更大面積的鰭片及風扇,使產生的熱及時逸散至大氣中。散熱基板依材料可分為 3 大類,功率小於 1 瓦的印刷電路板(FR4),功率大於 1 瓦的金屬散熱基板,以及價格較高的陶瓷基板。由於傳統的印刷電路板熱傳導係數低(大都在 0.5 W/mK 以下),且僅能利用增加散熱用的通孔有限度地改善散熱,已經逐漸在高功率LED的散熱市場中消失。

由於金屬基板與陶瓷基板具有較大的熱傳導係數(鋁、銅、氧化鋁和氮化鋁的熱傳導係數分別約為170 、380、20 ~ 40 和 220 W/mK),再加上量產良率的提升,因此成為目前高功率 LED 散熱基板的兩大主流。此外,由於金屬基板具加工性、不易碎、價格低廉等優勢,發展上更具潛力。

金屬散熱基板是由金屬片(鋁或銅)、絕緣層及銅導線構成,散熱效率的高低取決於絕緣層材料的選擇與基板結構的設計。絕緣層的材料從早期散熱不佳的樹酯(導熱係數 0.5 W/mK),進一步添加散熱好的氧化鋁粉或其他金屬氧化物,使導熱係數提高至 1 ~ 6 W/mK,甚至以陽極氧化膜(20 W/mK)或鑽石膜(~400 W/mK)取代。然而面臨的最大挑戰,是如何使製造成本降低及提升絕緣材料的可靠度。

目前廣為使用的金屬散熱基板結構,是利用熱電分離的設計,巧妙地把散熱途徑中的絕緣層移除。藉著導熱膠(導熱係數 1 ~ 2 W/mK)或錫合金(導熱係數約 50 W/mK)的使用,使 LED 底部與金屬片結合,大大改善界面導熱性能,但是這種金屬基板並不適用底部具有電極性的發光二極體。散熱基板隨著線路設計、LED 種類及功率大小有不同的設計,而產品的可靠性與價格是決定散熱設計最重要的規範。

臺灣發光二極體廠的市值規模僅次於日本,是全球第二大,世界市場占有率已超過兩成。由於臺灣擁有完整的 LED 上下游產業鏈,堅強的材料開發能力,具價格競爭優勢的印刷電路板產業,以及產業之間成熟的代工模式,對於未來高功率 LED 散熱技術的發展十分有利。在光學、電學及熱傳遞三方面都能得到最佳解決的情況下,臺灣在 21 世紀的固態照明演進史上將占有舉足輕重的地位。
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