详解各种LED散热技术 洞悉LED灯具散热策略

    发光二极管(led)具备轻薄、省电、环保、点亮反应快、长寿命等特点，加上在成本续降之下，光输出与功率仍不断提升，促使LED照明的市场接受度与日俱增，从交通号志指示灯至大尺寸背光源，进展到各种照明用途如车头灯、室内外照明灯具等。现阶段LED发光效率已突破每瓦100流明，足以取代耗电的白炽灯、卤素灯，甚至是荧光灯与高压气体放电灯。

　　伴随着高功率LED技术迭有进展，LED尺寸逐渐缩小，热量集中在小尺寸芯片内，且热密度更高，致使LED面临日益严苛的热管理考验。为降低LED热阻，其散热必须由芯片层级(Chip LevEL)、封装层级(Package Level)、散热基板层级(Board Level)到系统层级(System Level)，针对每一个环节进行优化的散热设计，以获得最佳的散热(图1)。

 
图1 LED散热策略

 
图2 高功率LED剖面图

    从图2中，可以了解整个高功率LED组件温度定义，并利用公式1计算LED总热阻值。其中Rj-a为芯片与空气之间的热阻值(K/W)，此部分的热阻由芯片和封装造成，属于磊晶厂及封装厂商负责范畴。Rsp-h为散热基板与散热鳍片之间的热阻值(K/W)；Rh-a为散热鳍片与空气端的热阻值(K/W)，Rsp-h及Rh-a为灯具系统商所负责的区域，以下将针对各关键组件进行散热策略探讨。

　　藉尺寸/材料改善芯片散热

　　LED芯片发光同时亦会产生热能(光电转换效率约为25～35%)，造成芯片温度(Tj)提高，然LED所产生的热能是透过下方的传热底座传导(Tsp)，因此当LED点亮时，若无法快速与有效的将热量带走，将会造成亮度降低、寿命变短及波长飘移，甚至造成LED损坏，图3为科瑞(Cree)EZ1000的芯片示意图。

 
图3 Cree-EZ1000的芯片示意图

　　芯片的散热策略可大致归纳为增加芯片尺寸和改变材料结构两种，芯片的热阻计算为Rchip=Lchip/(Kchip×Achip)，其中Lchip为热传路径的长度(蓝宝石基板厚度为100微米)；Kchip为总热导系数(蓝宝石约为35～40W/mK)；Achip为热传路径的截面积(40mil=1mm2)。根据上式，若将蓝宝石基板厚度由100微米缩短至80微米，芯片热阻可降低20%，但不能无限制的缩短造成晶圆片破片。另外，若将Kchip值提高至280W/mK(SiC)，芯片热阻可降低87.5%。因此，透过改变材料结构是目前较有效降低芯片热阻的方式。

    FR4散热基板成主流

　　一般对于常见LED的散热基板，大致可区分为传统印刷电路板环氧玻璃纤维板(FR4)、金属基印刷电路板(MCPCB)、陶瓷基板(AL2O3)及复合基板四种(表1)。 由于传统FR4的铜箔层散热能力有限，必须藉由较厚的金属层降低扩散热阻(Spreading Resistance)。另外再藉由介电层(Dielectrics)设计提高轴向上的热传速率，将热能迅速传导至散热鳍片。从价格和量产观点来看，印刷电路板优于其他基板，但其热传导系数低(热阻值高)，不利于LED散热，针对此缺点可透过以下几种方式进行改善：

　　合并导热孔降低热阻值

　　在LED的传热底座及周边范围，加上导热孔，并在其周围镀上一层铜箔层(35微米)，利用铜的高导热性，将传热底座的热能快速传递至下方的散热鳍片，以降低FR4散热基板热阻值达7K/W(图4)。

 
图4 FR4合并导热孔

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