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大功率LED照明产品之散热技术介绍

文章出处:常见问题 责任编辑:东莞市闽光电子科技有限公司 发表时间:2020-04-17
  

LED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LED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。

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LED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,然而目前大功率LED的光电转换效率值仍然有限,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,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LED的波长偏移而影响演色性,更会造成LED可靠度的大幅降低,因此散热技术已成为目前LED技术发展的瓶颈。

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LED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LED由晶片热源到环境温度的主要散热路径建构热阻网路,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,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LED晶片的Sapphire 基板导热特性较差,会造成热阻值过高,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,由于大功率LED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LED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,散热设计在各种大功率LED的产品设计中仍将佔有重要的地位。

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