LED背光照明与散热技术

LED背光照明与散热技术当LED于60年代被使用后，过去因LED使用功率不高，只能拿来作为显示灯及讯号灯，封装散热问题并未产生，但近年来使用于背光照明的LED，其亮度、功率皆持续的被提升，因此散热逐渐成为LED照明产业的首要问题。LED量产且被大量使用后，其发光亮度以突飞猛进的速度上升，由2001年的25 lm/W，2006年6月日亚化学 工业宣布实验室可达134 lm/W，2007年2月Lumileds公司可达到115 lm/W，2008年7月欧司朗则研发可达到136 lm/W之LED，Cree实验室于2008年11月可达161 lm/W，进步至2009年初，日亚化学工业发表的发光效率已可达249 lm/W，而量产的LED于2010年将一举突破100 lm/W之水准。图1 Haitz定律依据过去30年LED发展观察，Lumileds Lighting公司的Roland Haitz先生于2003年归纳出LED界的Moore(摩尔)定律Haitz定律(如图1所示)，说明LED约每1824个月可提升一倍的亮度，以此定理推估10年内LED亮度可以再提升20倍，而成本将可降90%以达到可完全取代现有照明技术，因此LED照明于近几年火热的被重视与探讨。LED背光照明 LED因耗电低、不含汞、寿命长、体积小、降低二氧化碳排放量等优势吸引国内、外厂商极力推广取代现有照明。LED主要照明可分为显示背光、车用照明、交通号志与室内室外照明，而背光模组于2009年被广泛的应用于笔记型电脑面板上，此后亦逐渐被使用到家用电视机，其约占了50%之面板模组零组件制造成本与消耗约70%显示器之电能，故背光照明为显示面板最重要的关键。然液晶显示器无法自行发光，因此需要背光模组作为光线的来源，所以背光源的好坏会影响显示的效果甚剧。加上面板需薄型化的因素，因此多以CCFL灯管作为背光源，而LED背光源比起CCFL有演色性佳、寿命长、反应速度快等优势(如表1)。再加上近年来由于全球提倡环保议题，各国政府的禁汞环保政策，如欧盟的WEEE与RoHS指令与中国的电子信息产品生产污染防治管理办法等陆续推行，也驱使小体积封装之LED成为替代CCFL的最佳无汞灯源。又由于LED单位成本发光效率持续快速成长中，使得LED成本跌幅扩大，缩小了CCFL与LED的价差，也促使面板厂商开始大幅导入LED于背光模组。LED的散热问题目前提高LED亮度有两种方式，分别为增加晶片亮度以及多颗密集排列等方式，这些方法都需输入更高功率之能量，而输入LED的能量，大约20%会转换成光源，剩下80 %都转成热能，然在单颗封装内送入倍增的电流，发热自然也会倍增，因此在如此小的散热面积下，散热问题会逐渐恶化。 此封装如仅应用在只使用14颗LED的散光灯，散光灯点亮时间短暂，故热累积现象不明显;如应用在液晶电视的背光上，既使使用高亮度LED，也要密集排列并长时间点亮，因此在有限的散热空间内难以适时的将这些热排除于外。但很不幸的，产生的热，对晶粒是很严重的问题。当晶粒介面温度升高时，量子转换效率导致发光强度下降，且寿命也会跟着下降;放射波长改变，使得色彩稳定性降低;受热时因不同材质的膨胀系数不同，会有热应力累积使产品可靠性降低，使用年限也会降低。因此，散热是高功率LED极需解决的重要问题。基本热力学传统光源白炽灯有73%以红外线辐射方式进行散热，在周围可以感受到高温高热，所以灯泡本体热累积现象轻微，而LED产生的光，大多分布在以可见光或紫外光居多，不能以辐射方式帮助散热，又因LED封装面积较小，难以将热量散出，导致LED照明品质有很大的问题产生，由此得知LED热能问题是目前急待被解决。在讨论LED热管理的议题前，首先要先了解基本热力学。基本上散热有3种方式(表2)，分别为“传导式散热”、“对流式散热”以及“辐射式散热”，从以上三者的理论公式可以分析出，散热最主要问题点就在“面积”;另外，由于因辐射在接近室温情况下散热量非常小，所以最主要讨论的散热方式在传导和对流两方面。在了解散热之前还要知道热欧姆定理，传统的电流欧姆定理：V=IR，压降=电流×电阻，电阻愈大，压降就愈大，表示电压在元件中消耗量愈大;同样的，热欧姆定理：T=QR，温差=热流×热阻，当热阻愈大时，就有愈多的热残留在元件内，这说明了散热效果要越好，热阻就要越低。热欧姆定理是以热阻(Thermal resistance)将热传以物理量量化，计算方式为LED介面温度与室温的温差除以单位输入功率。简单来说，如热阻为10/W，表示每输入1W的能量会是LED上升10。LED的热管理热传是以等向性的方式传递，传递方向可大致区分成垂直与水平方向。垂直方向相当于将热阻串联，串联数愈多，热阻愈大。水平传递等于是并联热阻，并联热阻数愈多热阻越低，表示增大传导面积和加强传热速率。因此要有较佳的散热效果，所传导的层数要越少且截面积要越大。图2为LED元件垂直热阻图，热源由介面产生再垂直向上下传递，因保护层封装采用低热传系数材料，加上面积又小，所以仅有极少量热能向上传递而被忽略计算，所以传递总热阻=介面到黏接点热阻+黏接点到基板热阻+基板到载板热阻+载板到空气热阻，热会由介面迅速传递到大面积之载板或散热片，再经由水平传递到大面积的表面上与空气热交换对流完成散热。基于上述理论，将LED元件热阻扩大运用至背光散热模组中，因大面积面板薄型化的需求，在极小空间中使用高热源密度元件，所以除了自然对流外，还需辅以风扇方式进行强制对流增加散热。LED所产生的热，大多经由基板传递到载板散热片上，再以水平方式迅速传递至整个载板之上，此热最后垂直传导到大面积的筐体上，促成筐体表面的热对流和放射，利用通风孔的热空气上升流动或风散强制对流造成热移动将热量带走。另外，由等效热阻图(图3)可观察出，散热基板为整个背光散热模组的传递核心，此说明将散热基板热阻降低，对整体的散热效益提升就越明显。LED散热封装降低LED热累积的方式有主要有以下三种，一为改善晶粒特性，在晶粒制作阶段，增加发光效率降低发热的能量配置，此外传统式晶片皆以蓝宝石(sapphire)作为基板，其蓝宝石的热传导系数约只有20W/mK，不易将磊晶层所产生的热快速地排出至外部，因此Cree公司以具高热传导系数的“矽”来取代蓝宝石，进而提升散热能力。另外，改用越大尺寸的晶粒LED热阻值就越小。二为固晶(Die Bonding)方式，由打线(Wire Bonding)改为覆晶(Flip-Chip)，传统LED封装使用打线方式，但相对于金属，蓝宝石传热相当慢，所以热源会从金属线传导，但散热效果不佳。Lumileds公司将晶粒改以覆晶方式倒置于散热基板上，欲排除蓝宝石不要在热传导路径上，并在几何结构上增加传热面积以降低热阻。三为封装基板采用氧化铝、氮化铝、氧化铍及氮化硼等高导热以及与LED热膨胀系数匹配的材料，进而降低整个散热基板总热阻方式。以下将LED散热封装材料之比较列于表3，早期LED以炮弹型方式进行封装，其散热路径中有一小部分热源经保护层往大气方向散热，大多热源仅能透过金属架往基板散热，此封装热阻相当地大，达250350/W。进而由表面贴合方式(SMD)于PCB基板上封装，主要是藉由与基板贴合一起的FR4载板来导热，利用增加散热面积的方式来大幅降低其热阻值。但此低成本的封装要面临的问题是，FR4本身热传导系数较低，膨胀系数过高，且为不耐高温的材料，在高功率的LED封装材料上不太适用。因此，再发展出内具金属核心的印刷电路板(MetalCorePCB;MCPCB)，是将原印刷电路板贴附在金属板上，运用贴附的铝或铜等热传导性较佳的金属来加速散热，此封装技术可用于中阶功率的LED封装。MCPCB的铝基板虽有良好的导热系数，但还需使用绝缘层来分离线路，但绝缘材多有热阻、热膨胀系数过高的缺点，作为封装高功率LED时较不适合。近期还有DBC(Direct Bond Copper)与DPC(Direct Plated Copper)技术被使用，DBC热压铜于陶瓷板技术虽有良好的散热系数，但密合强度、热应力与线路解析度等问题仍有待解决。在陶瓷材料上以DPC成型之基板，具有耐高电压、耐高温、与LED热膨胀系数匹配等优势外，还可将热阻下降到10/W以下，故此为现今最合适用在封装高密度排列之HB LED散热材料。结论随着大尺寸薄型化LED TV的市场需求逐年增加，其所需背光源的亮度也随之增加，导致大量的高功率LED须于狭小电视筐体中紧密排列，使得高效率散热基板的需求愈来愈大，因此由大毅科技坚强的技术团队于2010年所研发出的以DPC基板技术大量生产的陶瓷散热基板，将满足日益扩大的LED TV背光模组散热需求。更多技术性文章：www.big- 大比特商务网