大功率LED照明產品之散熱技術介紹
：2018-08-23
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LED照明應用趨勢及散熱問題由于固態光源(Solid State Lighting)技術不斷進步，使近年來LED的發光效率提升，逐漸能取代傳統光源，目前發光效率已追過白熾燈及鹵素燈而持續向上成長，如圖一所示。
圖一、LED發光效率趨勢比較
而一些公司更已開發出效率突破100lm/W 的LED元件，這也使得LED的照明應用越來越廣，不但已開始應用于室內及戶外照明、手機背光模組及汽車方向燈等，更看好在高瓦數的投射燈及路燈等強光照明、大尺寸背光模組以及汽車頭燈等的應用。由于擁有省電、環保及壽命長等優點，更使未來以LED光源為主流的趨勢越趨明顯。
為了讓LED發更亮的光而需要輸入更高的功率，然而目前大功率LED的光電轉換效率(Wall-Plug-Efficiency; WPE)值仍然有限，一般僅有約15~25% 的輸入功率成為光，其馀則會轉換成熱能。由于LED晶片面積很小(~1mm2)，因此使高功率LED單位面積的發熱量（發熱密度）非常高，甚至較一般的 IC 元件更為嚴重，也使得LED 晶片的接面溫度(Junction Temperature)大為提升，容易造成過熱問題。過高的晶片接面溫度會使LED 的發光亮度降低，其中以紅光的衰減最為明顯。也會造成LED的波長偏移而影響演色性，更會造成LED可靠度的大幅降低，如圖三所示，因此散熱技術已成為目前LED技術發展的瓶頸。
圖二、元件壽命和晶片溫度的關系
圖三、LED散熱路徑及熱阻網路Chip Level 、Package Level 和PCB Level 的散熱設計
因此散熱設計的挑戰較大，必須從晶片層級、封裝層級、PCB 層級到系統模組層級，都要非常重視散熱設計，并尋求最佳的散熱方桉。對于LED照明產品而言，由于系統端的散熱限制較大，因此其它層級的散熱需求就更明顯。對于LED熱傳問題，最基本的分析方法就是利用熱阻網路進行分析。也就是將LED由晶片熱源到環境溫度的主要散熱路徑建構熱阻網路，如圖四所示，然后分析各熱阻值的特性及大小，如此可以推算理想狀況時的晶片溫度，并針對熱阻網路各部分下對策以降低熱阻值。需注意的是，圖四是就Chip Level 、Package Level 、Board Level 及System Level 組成的熱阻網路。實際分析時可依據系統結構組成更詳細的熱阻網路，例如考慮Die Attach 材料及Solder 等介面材料之熱阻，或是散熱模組結構之熱阻值。
由于LED晶片的Sapphire 基板導熱特性較差，會造成圖三之熱阻值Rjs 過高，因此改善方式必須用高導熱的材料如銅取代Sapphire ，或是採用覆晶方式將基板移開熱傳路徑，以降低熱阻值。目前在晶片到封裝層級性能較佳的散熱設計，包括共融合金基板及覆晶形式等設計，使熱更容易從晶片傳到封裝中。而增加晶片尺寸以降低發熱密度也是可行的方向。
大功率LED的散熱設計非常重要，關系到LED的發光的品質及使用壽命。透過熱阻網路可迅速分析散熱能力及需求并尋求散熱對策，由于大功率LED發熱密度很大，必須從Chip Level、Package Level、Board Level到System Level 各層級進行散熱設計，降低熱阻，才能得到最佳的散熱效果。目前國際上各大LED晶片及封裝廠商都致力于發展發光效率更高的產品，透過提升光的量子效率等方式提升光電轉換效率，以降低晶片發熱量。為了使LED產品的發展及應用更為快速，相關的散熱技術仍需同步發展。由于人類對于生活品質的需求不斷提升，就如同IC 產品對于散熱的需求一直存在，散熱設計在各種大功率LED的產品設計中仍將佔有重要的地位。
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