通过散热设计延长LED主照明寿命

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1、通过散热设计延长LED主照明寿命高功率LED发光效率进展飞速，相对也带来更严苛的散热挑战，由于从晶片、封装、基板至系统各层级环环相扣，因此须逐一克服难关才能真正符合市场的散热要求，其中FR4基板将為大势所趋；系统可透过关键元件改善散热难题，进而实现高可靠度，长寿命的LED灯具。发光二极体(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

2、，甚至是萤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，热量集中在小尺寸晶片内，且热密度更高，致使LED面临日益严苛的热管理考验。為降低LED热阻，其散热必须由晶片层级(ChipLevel)、封装层级(PackageLevel)、散热基板层级(BoardLevel)到系统层级(SystemLevel)，针对每一个环节进行最佳化的散热设计，以获得最佳的散热(图1)。图1LED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元件温度定义，并利用公式1计算LED总热阻值。其中Rj-a為晶片与空气之间的热阻值(K/W)，此部分的热

3、阻由晶片和封装造成，属于磊晶厂及封装厂商负责范畴。Rsp-h為散热基板与散热鰭片之间的热阻值(K/W)；Rh-a為散热鰭片与空气端的热阻值(K/W)，Rsp-h及Rh-a為灯具系统商所负责的区域，以下将针对各关键元件进行散热策略探讨。 藉尺寸/材料改善晶片散热　　LED晶片发光同时亦会產生热能(光电转换效率约為25～35%)，造成晶片温度(Tj)提高，然LED所產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為科瑞(Cree)EZ1000的晶片示意图。  资料

4、来源：Cree图3Cree-EZ1000的晶片示意图　　晶片的散热策略可大致归纳為增加晶片尺寸和改变材料结构两种，晶片的热阻计算為Rchip=Lchip/(Kchip×Achip)，其中Lchip為热传路径的长度(蓝宝石基板厚度為100微米)；Kchip為总热导係数(蓝宝石约為35～40W/mK)；Achip為热传路径的截面积(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，晶片热阻可降低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)，晶片热阻可降低87.5%。因此，透过改变材料结构是目前

5、较有效降低晶片热阻的方式。FR4散热基板成主流  　　一般对于常见LED的散热基板，大致可区分為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(SpreadingResistance)。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鰭片。从价格和量產观点来看，印刷电路板优于其他基板，但其热传导係数低(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：　　合併导热孔降低热阻

6、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鰭片，以降低FR4散热基板热阻值达7K/W(图4)。 资料来源：PhilipsLumileds图4FR4合併导热孔　　合併导热孔/导热材料有助于缩减成本　　利用类似第一种的製作程序，只是导热孔内加入高导热係数的材料，并在导热孔的上、下面与其周围镀上一层铜箔层(35微米)，藉由孔内的导热材料与孔周围的铜箔层，将传热底座的热能快速传递至下方的散热鰭片，降低FR4散热基板热阻值至3K/W(图5)。散热基板实体图如图6所示。 资料来源：P

7、hilipsLumileds图5FR4合併导热孔及导热材料 图6FR4散热基板实体图　　MCPCB是最常见的高功率LED散热基板，但此种基板最关键材料在于中间的介电绝缘层(Epoxy)，若是使用较高导热係数的绝缘层材料，才能使LED的热能快速透过下层的金属板扩散并传递至散热鰭片；反之，使用低导热材料，则热能无法有效传递至金属基板，形成高热阻抗，其传热性能差异如图7所示。从图8热阻比较图中可知，若是採用FR4合併导热孔和导热材料製程，可将散热基板热阻值减少，并降低散热基板成本。 图7不同导热材料形成的热阻值比较 资料来源：PhilipsLumileds