通過散熱設(shè)計延長LED主照明壽命

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高功率LED發(fā)光效率進(jìn)展飛速，相對也帶來更嚴(yán)苛的散熱挑戰(zhàn)，由于從晶片、封裝、基板至系統(tǒng)各層級環(huán)環(huán)相扣，因此須逐一克服難關(guān)才能真正符合市場的散熱要求，其中FR4基板將為大勢所趨；系統(tǒng)可透過關(guān)鍵元件改善散熱難題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)CONTROLShockwaveFlash.ShockwaveFlash.10\s高牢靠度、長壽命的LED燈具。

發(fā)光二極體(LED)具備輕薄、省電、環(huán)保、點(diǎn)亮反應(yīng)快、長壽命等特點(diǎn)，加上在成本續(xù)降之下，光輸出和功率仍不斷提升，促使LED照明的市場接受度和日俱增，從交通號志指示燈至大尺寸背光源，進(jìn)展到各種照明用途如車頭燈、室內(nèi)外照明燈具等?，F(xiàn)階段LED發(fā)光效率已突破每瓦100流明，足以取代耗電的白熾燈、鹵素?zé)?，甚至是螢光燈和高壓氣體放電燈。伴隨著高功率LED技術(shù)迭有進(jìn)展，LED尺寸慢慢縮小，熱量集中在小尺寸晶片內(nèi)，且熱密度更高，致使LED面臨日益嚴(yán)苛的熱管理考驗(yàn)。為降低LED熱阻，其散熱必需由晶片層級(ChipLevel)、封裝層級(PackageLevel)、散熱基板層級(BoardLevel)到系統(tǒng)層級(SystemLevel)，針對每一個環(huán)節(jié)進(jìn)行最佳化的散熱設(shè)計，以獲得最佳的散熱(圖1)。

圖1LED散熱策略

圖2高功率LED剖面圖從圖2中，可以了解整個高功率LED元件溫度定義，并利用公式1計算LED總熱阻值。其中Rj-a為晶片和空氣之間的熱阻值(K/W)，此部分的熱阻由晶片和封裝造成，屬于磊晶廠及封裝廠商負(fù)責(zé)范疇。Rsp-h為散熱基板和散熱鰭片之間的熱阻值(K/W)；Rh-a為散熱鰭片和空氣端的熱阻值(K/W)，Rsp-h及Rh-a為燈具系統(tǒng)商所負(fù)責(zé)的區(qū)域，以下將針對各關(guān)鍵元件進(jìn)行散熱策略探討。

藉尺寸/材料改善晶片散熱LED晶片發(fā)光同時亦會產(chǎn)生熱能(光電轉(zhuǎn)換效率約為25～35%)，造成晶片溫度(Tj)提高，然LED所產(chǎn)生的熱能是透過下方的傳熱底座傳導(dǎo)(Tsp)，因此當(dāng)LED點(diǎn)亮?xí)r，若無法快速和有效的將熱量帶走，將會造成亮度降低、壽命變短及波長飄移，甚至造成LED損壞，圖3為科瑞(Cree)EZ1000的晶片示意圖。

資料來源：Cree

圖3Cree-EZ1000的晶片示意圖晶片的散熱策略可大致歸納為增加晶片尺寸和變更材料結(jié)構(gòu)兩種，晶片的熱阻計算為Rchip=Lchip/(Kchip×Achip)，其中Lchip為熱傳路徑的長度(藍(lán)寶石基板厚度為100微米)；Kchip為總熱導(dǎo)係數(shù)(藍(lán)寶石約為35～40W/mK)；Achip為熱傳路徑的截面積(40mil=1mm2)。依據(jù)上式，若將藍(lán)寶石基板厚度由100微米縮短至80微米，晶片熱阻可降低20%，但不能無限制的縮短造成晶圓片破片。另外，若將Kchip值提高至280W/mK(SiC)，晶片熱阻可降低87.5%。因此，透過變更材料結(jié)構(gòu)是目前較有效降低晶片熱阻的方式。FR4散熱基板成主流

一般對于常見LED的散熱基板，大致可區(qū)分為傳統(tǒng)印刷電路板環(huán)氧玻璃纖維板(FR4)、金屬基印刷電路板(MCPCB)、陶瓷基板(AL2O3)及復(fù)合基板四種(表1)。由于傳統(tǒng)FR4的銅箔層散熱實(shí)力有限，必需藉由較厚的金屬層降低擴(kuò)散熱阻(SpreadingResistance)。另外再藉由介電層(Dielectrics)設(shè)計提高軸向上的熱傳速率，將熱能快速傳導(dǎo)至散熱鰭片。從價格和量產(chǎn)觀點(diǎn)來看，印刷電路板優(yōu)于其他基板，但其熱傳導(dǎo)係數(shù)低(熱阻值高)，不利于LED散熱，針對此缺點(diǎn)可透過以下幾種方式進(jìn)行改善：合併導(dǎo)熱孔降低熱阻值在LED的傳熱底座及周邊范圍，加上導(dǎo)熱孔，并在其四周鍍上一層銅箔層(35微米)，利用銅的高導(dǎo)熱性，將傳熱底座的熱能快速傳遞至下方的散熱鰭片，以降低FR4散熱基板熱阻值達(dá)7K/W(圖4)。

資料來源：PhilipsLumileds

圖4FR4合併導(dǎo)熱孔合併導(dǎo)熱孔/導(dǎo)熱材料有助于縮減成本利用類似第一種的製作程序，只是導(dǎo)熱孔內(nèi)加入高導(dǎo)熱係數(shù)的材料，并在導(dǎo)熱孔的上、下面和其四周鍍上一層銅箔層(35微米)，藉由孔內(nèi)的導(dǎo)熱材料和孔四周的銅箔層，將傳熱底座的熱能快速傳遞至下方的散熱鰭片，降低FR4散熱基板熱阻值至3K/W(圖5)。散熱基板實(shí)體圖如圖6所示。

資料來源：PhilipsLumileds

圖5FR4合併導(dǎo)熱孔及導(dǎo)熱材料

圖6FR4散熱基板實(shí)體圖MCPCB是最常見的高功率LED散熱基板，但此種基板最關(guān)鍵材料在于中間的介電絕緣層(Epoxy)，若是運(yùn)用較高導(dǎo)熱係數(shù)的絕緣層材料，才能使LED的熱能快速透過下層的金屬板擴(kuò)散并傳遞至散熱鰭片；反之，運(yùn)用低導(dǎo)熱材料，則熱能無法有效傳遞至金屬基板，形成高熱阻抗，其傳熱性能差異如圖7所示。從圖8熱阻比較圖中可知，若是採用FR4合併導(dǎo)熱孔和導(dǎo)熱材料製程，可將散熱基板熱阻值削減，并降低散熱基板成本。

圖7不同導(dǎo)熱材料形成的熱阻值比較

資料來源：PhilipsLumileds

圖8不同散熱基板熱阻值比較圖

透過散熱元件提高系統(tǒng)散熱效能

對于系統(tǒng)端的散熱策略，常見的散熱元件為鰭片(HeatSink)、熱管(HeatPipes)、均溫板(VaporChamber)、迴路式熱管(LoopHeatPipe,LHP)及壓電風(fēng)扇(PiezoFans)。以下為各元件原理介紹及優(yōu)缺點(diǎn)。散熱鰭片應(yīng)用最為普及散熱鰭片主要是靠傳導(dǎo)和自然對流方式進(jìn)行散熱，為最常見的散熱方式，利用增加散熱面積和搭配風(fēng)道、開氣孔設(shè)計，提升傳導(dǎo)和自然對流實(shí)力，缺點(diǎn)為重量和落塵積累造會成散熱不良。常見的散熱鰭片種類如圖9所示。

圖9散熱鰭片實(shí)體圖熱管可達(dá)成快速散熱熱管在電腦的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，近年來亦被應(yīng)用在LED燈具，不外乎是看重其質(zhì)量輕且結(jié)構(gòu)簡潔、傳熱快速且無動件及毋須外加電源優(yōu)點(diǎn)。因此，針對LED熱密度極高的狀況下，熱管可快速散熱。然其缺點(diǎn)有溫度范圍限制、傳熱路徑較短及受重力影響時具方向性，因此應(yīng)用在LED燈具無法將熱源有效帶至遠(yuǎn)處，即便熱管能將熱源快速帶離開，但仍須搭配各種散熱鰭片增加和空氣的接觸面積，進(jìn)而增加自然對流的實(shí)力(圖10)。

圖10熱管實(shí)體圖均溫板局限燈具外觀設(shè)計均溫板、熱管原理和理論架構(gòu)相同，只有熱傳導(dǎo)的方向不同，熱管的熱傳導(dǎo)方式是一維的，是線的熱傳導(dǎo)方式；而均溫板的熱傳導(dǎo)方式係二維，是面的熱傳導(dǎo)方式，因此均溫板可將熱源勻整擴(kuò)散開來，以降低擴(kuò)散熱阻。但即便均溫板在燈具應(yīng)用僅能為垂直方向傳遞，不如熱管可把熱往水平或垂直方向傳遞，所以在燈具外型設(shè)計受限較大(圖11)。

圖11均溫板實(shí)體圖迴路式熱管實(shí)現(xiàn)長距離熱傳導(dǎo)迴路式熱管是依靠封閉式迴路管內(nèi)的工質(zhì)，在加熱端和冷卻端的熱交換進(jìn)而達(dá)成熱量傳遞。熱量從加熱端傳遞給工質(zhì)，使工質(zhì)變成蒸氣。而當(dāng)蒸氣流經(jīng)冷卻端時，其被冷凝成液體，而加熱端內(nèi)部的毛細(xì)結(jié)構(gòu)可利用毛細(xì)力將冷凝液體帶回蒸發(fā)器，如此即可完成流體循環(huán)，達(dá)成熱能的傳遞。除一般傳統(tǒng)熱管的優(yōu)點(diǎn)外，迴路式熱管最吸引人之處在于它可做長距離熱量傳遞、管路可彎曲，因此極富靈敏性且不受重力場的影響，任何方向均可操作。因此藉由迴路式熱管遠(yuǎn)距離熱傳特性，將LED熱源所釋放出來的熱藉由銅管迴路傳遞至燈殼上(散熱板)，并利用大面積燈殼表面和空氣接觸，在自然對流運(yùn)\\作下，毋須借助任何額外電力，可不斷循環(huán)散熱，有效解決散熱的問題，進(jìn)而提升LED燈具壽命(圖12)。

圖12應(yīng)用LHP的LED燈具實(shí)體圖壓電風(fēng)扇適合室內(nèi)燈具應(yīng)用相較于一般的傳統(tǒng)風(fēng)扇而言，壓電風(fēng)扇具備體積小、消耗功率小、噪音小、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)相當(dāng)適用于現(xiàn)在室內(nèi)LED燈具散熱所需的低功率、低噪音和不占空間的要求。而壓電風(fēng)扇則是利用壓電材料具有壓電效應(yīng)的特性來造成葉片的搖擺，造成空氣流淌來帶走LED產(chǎn)生的溫度。一般選用壓電風(fēng)扇性能參數(shù)在于其壓電參數(shù)、扇葉厚度和黏合膠(BondingGlue)之不同。圖13顯示一個實(shí)際應(yīng)用范例，此為一個室內(nèi)燈具模組，搭配壓電風(fēng)扇及小面積散熱鰭片，形成氣流，提高對流熱傳係數(shù)。

資料來源：飛利浦

圖13主動式壓電風(fēng)扇散熱LED以其節(jié)能及環(huán)保特點(diǎn)有著廣袤的應(yīng)