隨著全球的環(huán)保意識抬頭,白熾燈泡將采取逐漸減少用量的政策,以降低環(huán)境光源所造成的大量能源浪費問題,取而代之且最具替代優(yōu)勢的新世代光源,就屬led 產(chǎn)品莫屬。LED發(fā)展迄今已逐漸具備多項成熟優(yōu)勢,例如,省電、高效率、高反應(yīng)速度、壽命長,與全制程均不含汞的多項環(huán)保優(yōu)點,加上體積小、重量輕與可在各種表面設(shè)置等元件 特色,已成為全球燈具與元件廠積極開發(fā)的應(yīng)用光源,但實際上LED在我們所輸入的能源中,僅有兩成能源可以轉(zhuǎn)換為光能,剩下的八成能源多半形成廢熱散逸。
LED雖在元件有多項環(huán)保優(yōu)勢,但與一般白熾燈具一樣,燈具本身自己發(fā)光產(chǎn)生的熱,也會間接影響燈具自身的使用壽命,尤其是LED為點狀發(fā)光光源,其所產(chǎn)生的熱能也集中在極小的區(qū)域,若產(chǎn)生的高溫?zé)o法順利排解,那LED的結(jié)面溫度將會因此偏高,進(jìn)而直接影響LED的使用壽命與發(fā)光表現(xiàn)。
LED的光衰問題 須透過輔助技術(shù)改善
LED雖是極具未來性的光源元件,即便具備壽命長優(yōu)點,但依舊仍有其壽命限制,尤其是大功率 的LED,因為其發(fā)光功率 高,所加諸的電力大,工作時間超長,甚至還必須放置于戶外應(yīng)用,在環(huán)境與元件本身的諸多限制,往往令其使用壽命大幅降低。
過去在元件的概念都以為,LED至少都有10萬小時壽命,其實目前的元件在實地應(yīng)用時,卻不見得能達(dá)到如此高標(biāo)準(zhǔn)的壽命表現(xiàn),其實問題的核心就在LED的光衰現(xiàn)象,一般而言,如果不考慮線路或是電源電路 的故障問題,LED元件本身若發(fā)光亮度 降低至原有的30%以下,就可以視此LED元件達(dá)到不堪用的程度。觀察LED的光衰現(xiàn)象,可以從多個層面討論,多數(shù)的白光LED 是由藍(lán)光 晶粒LED搭配光學(xué) 塑料摻雜黃色螢光粉所呈現(xiàn),以白光LED為例,其光衰現(xiàn)象就可以從藍(lán)光晶粒本身的光衰、與黃色螢光粉本身的光衰兩部分所組成。
在螢光粉的光衰問題,其實對于溫度的影響甚巨,而在晶粒的光衰問題,不同顏色的晶粒光衰現(xiàn)象亦有蠻大的差距,其光衰特性的差異視不同廠商、制程與螢光粉配方不同,都會影響其表現(xiàn),很難用一致性的討論來下定論,一般LED元件的光衰表現(xiàn)可透過LED的廠商的測試 數(shù)據(jù),檢視其光衰曲線圖大致確認(rèn)元件特性。
元件溫度將直接影響使用壽命
一般而言,LED的結(jié)面溫度與發(fā)光效 率是兩組對立的數(shù)值,當(dāng)結(jié)面溫度增加,發(fā)光效率也會持續(xù)降低,以實驗室的數(shù)據(jù)取一般LED為例作為參考,當(dāng)結(jié)面溫度持續(xù)自室溫提升到100度時,發(fā)光效率將持續(xù)減低,最高可減少70%左右,如果取白光、藍(lán)光、紅光與黃光幾種常見LED光色產(chǎn)品進(jìn)行評估,會發(fā)現(xiàn)黃光LED受熱造成的光衰現(xiàn)象更為顯著。
同時,若將關(guān)注焦點移轉(zhuǎn)至使用壽命部分進(jìn)行微觀檢視,在測試數(shù)據(jù)可以很明顯發(fā)現(xiàn)在70度高溫上下運行時,LED的使用壽命即有75%衰退狀況!同理可證,若要讓LED發(fā)光源能達(dá)到最佳化的應(yīng)用表現(xiàn),不管是發(fā)光效率的提升、還是使用壽命的延長,LED「散熱」設(shè)計就成為相當(dāng)重要的關(guān)鍵技術(shù)。
LED光源 最大的挑戰(zhàn)在克服光衰,光衰問題必須從散熱著手
觀察LED元件的結(jié)構(gòu)特性
想了解LED的散熱問題與待克服的技術(shù)瓶頸,就必須先針對LED結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行觀察,了解其運作是如何產(chǎn)生熱源,與在不加諸任何輔助散熱措施下,LED是透過何種方式處理所產(chǎn)生的熱源。
基本上LED為電流驅(qū)動 元件,發(fā)光的方式是于LED晶粒(Die)以共晶(Eutectic )、覆晶(Flip chip)或打金線的方式,把晶粒放置在基板上,而為了保護(hù)共晶、覆晶或打金線的線路與晶粒本身,外表覆上耐高溫的透明材料、或是光學(xué)材料。
從結(jié)構(gòu)上就能發(fā)現(xiàn),除了LED外覆光學(xué)材料的表面可透過接觸空氣進(jìn)行熱交換的散熱行為外,LED在發(fā)光過程所產(chǎn)生的熱,亦可從晶粒上打的金線,直接傳導(dǎo)至焊接的主機板散逸熱源,此外,晶粒采共晶或覆晶所放置的System circuit board,透過表面接觸的熱傳導(dǎo)效果,也可散出絕大部分產(chǎn)生的熱源。
改善熱阻強化LED散熱 效率
討論LED散熱效率前需先理解熱阻(thermal resistance)問題,熱阻是物體對熱能傳導(dǎo)的阻礙程度,在單位表示上為℃/W,檢言之就是針對一個物體傳熱功率為1W,而導(dǎo)熱物件兩個端點的溫度差異,即為該物件的熱阻值,至于檢視LED的熱阻,則是討論在LED開啟發(fā)光后,當(dāng)LED元件內(nèi)的晶粒熱量傳導(dǎo)趨于穩(wěn)定時,在芯片的表面以每1W進(jìn)行散逸,在LED的晶粒P/N結(jié)點的聯(lián)機或散熱基板間的溫度差異,就成為LED的熱阻。
影響LED元件熱阻的因素很多,例如,LED的晶粒線路連接方式、架構(gòu),到光學(xué)覆蓋層的材料特性,都會影響LED熱阻值,而降低LED也是提升元件壽命的重要手段。此外,象是LED晶粒是采導(dǎo)熱膠或金屬直接相連,都會影響LED熱阻大小。
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管狀與平板狀的LED燈具 設(shè)計,在主/被動散熱機制都是延長壽命的關(guān)鍵
高功率LED元件 改善散熱的處理手段
檢視目前的LED散熱改善手段的處理技術(shù)瓶頸,其實LED晶粒外部的光學(xué)材料所能改善的熱交換效率有限,這是礙于勿理性的限制,改善幅度相當(dāng)有限,反而是作為基板的System circuit board和晶粒上為了導(dǎo)通供應(yīng)驅(qū)動電力的金線,算是可大幅改善LED元件散熱效率的重要關(guān)鍵處,尤其是基礎(chǔ)載板的散熱效能改善,投入的改善措施其效益最為顯著、實際。
而目前也有LED元件廠,嘗試從金線下手,將金線距離縮短、線徑增大,藉此提升LED核心晶粒的散熱效能,但LED封裝 手法的改善效果有限,在成本與效益上仍未能如透過基礎(chǔ)載板的散熱改善措施來得更具效益。
而LED的散熱措施,觀察LED元件構(gòu)造會發(fā)現(xiàn),散熱的關(guān)鍵會只剩下LED晶粒與元件本身承載晶粒的載板,與LED元件與安裝于系統(tǒng)主機板上的電路載板兩個改善手段,基本上承載LED晶粒的載板屬于LED封裝制程中可以介入控制的關(guān)鍵點,而LED元件與所安裝的電路板載板散熱關(guān)系,則是一般LED模塊 廠所關(guān)注的散熱改善重點。
解決LED核心熱源的散熱處理方式
在LED晶?；宀糠?主要是將LED晶粒在發(fā)光過程所產(chǎn)生的核心熱源,快速傳導(dǎo)到外部的重要關(guān)鍵,一般基于散熱考量,在高功率的LED元件方面,多數(shù)會采取散熱效率相對較佳的陶瓷基板為主,目前有薄膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷、 厚膜陶瓷基板等基板制法,高功率會產(chǎn)生高熱的高亮度元件,多數(shù)都采行 低溫共燒多層陶瓷或厚膜陶瓷基板,透過基礎(chǔ)載臺本身的高熱傳導(dǎo)效率,去提升將核心晶粒在發(fā)光歷程所產(chǎn)生的高熱,快速傳導(dǎo)到元件外部。
從此可以理解,陶瓷散熱基板可以說是能將LED元件本身的散熱條件,一舉提升的制程材料改善手段,也是目前高功率LED的制作方式,亦有必要針對此進(jìn)行深入說明。
LED薄膜陶瓷基板
與低溫共燒多層陶瓷、厚膜陶瓷基板基板技術(shù)不同的是,薄膜陶瓷基板則是采取濺鍍手段或是化學(xué)沈積方式,或佐以黃光微影制程制作,其中,透過黃光微影會使線路精密度方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越低溫共燒多層陶瓷與厚膜陶瓷基板制作方式,而300度低溫制程可避免陶瓷基板的體積變異問題,雖然優(yōu)點較多,其制作成本也相對增加。
LED低溫共燒多層陶瓷
低溫共燒多層陶瓷基板技術(shù)是采取用陶瓷材料,作為基板基礎(chǔ)材料的手段,制作方式是預(yù)先將相關(guān)線路透過網(wǎng)印手法印刷在基板表面,進(jìn)而整合多層陶瓷基板制作,而最后的制程階段則是應(yīng)用低溫?zé)Y(jié)制作而成。
但低溫共燒多層陶瓷基板的制作手段繁復(fù),加上金屬線路部分為采用網(wǎng)印方式處理,在對位誤差和精確度部分仍會出現(xiàn)可能的技術(shù)限制,而多層陶瓷結(jié)構(gòu)經(jīng)過燒結(jié)制作過程,也會遭遇熱脹、冷縮的問題,若想在低溫共燒多層陶瓷基板上再應(yīng)用需針對對位極為精準(zhǔn)要求的覆晶制作LED元件產(chǎn)品,其終端產(chǎn)品的良率提升將是一大挑戰(zhàn)。
LED厚膜陶瓷基板
厚膜陶瓷基板同樣也是采取網(wǎng)印方式制作,其工法是預(yù)先將材料印制到基板表面,當(dāng)印刷內(nèi)容物干燥后,基板再經(jīng)由燒結(jié)程序、雷射處理等步驟,完成厚膜陶瓷基板整個制作流程。
與低溫共燒多層陶瓷一樣,厚膜陶瓷基板一樣會遭遇到精密度的問題,尤其是對位會有誤差、線路型態(tài)較為粗糙,在產(chǎn)品不斷要求集積化、小型化的趨勢下,厚膜陶瓷基板的制作方式將會遭遇產(chǎn)品小型化的嚴(yán)苛挑戰(zhàn),同樣在面對共晶、覆晶的制作需求時,厚膜陶瓷基板也會有對位與精確度的物理限制存在。
但前述也有提到,透過打金線的方式改善,再搭配特殊陶瓷基板的模式,對于LED元件散熱具有相當(dāng)大的效益,但金線連結(jié)的散熱效能仍相當(dāng)有限,近來也有多種解決方案針對此進(jìn)行改善,例如采用具高散熱系數(shù)的基板材料,如以碳化硅基板或矽基板取代傳統(tǒng)的氧化鋁材質(zhì),或改用氮化鋁或陽極化鋁基板等手段,藉此達(dá)到內(nèi)部高效散熱目的。
高功率LED元件 模塊廠的散熱設(shè)計手段
而在系統(tǒng)電路板的部份,多半是模塊廠著墨較多的改善角度,早期LED模塊產(chǎn)品大多使用PCB 材料作為架構(gòu)基礎(chǔ),但實際上PCB材料的散熱效率有限,近來針對高效能LED光源模塊多數(shù)已逐漸導(dǎo)入具高效導(dǎo)熱的金屬基板材質(zhì)取代PCB,例如鋁基板(MCPCB)或是其它利用金屬材料強化的應(yīng)用基板,除了系統(tǒng)電路板本身的應(yīng)用材質(zhì)改變外,為了近一步強化散熱與熱交換效率,于模塊外部也會采取設(shè)置鋁擠型散熱鰭片,或主動式散熱風(fēng)扇,透過強制氣冷的手段強化加速熱散逸的目的。
各式高功率LED燈具模塊
在LED元件的核心,也有嘗試透過改善金線的制作邏輯,改用覆晶或共晶的模式將晶粒與外部進(jìn)行連結(jié),取得供應(yīng)電源 的設(shè)計方式,而透過此法所制成的LED元件,內(nèi)部連接晶粒的導(dǎo)線從點的接觸一舉變成面的連結(jié),熱傳導(dǎo)的基礎(chǔ)條件大幅強化,自然也能加速內(nèi)部的熱源散逸到元件外部!但共晶或覆晶的制程手段成本較高,對于基板的精密度要求極高,假若基板的平整度不佳,也會影響后段成品的良率表現(xiàn),其技術(shù)成熟度仍需要時間考驗。
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