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摘 要：白光LED具有发光效率高、功耗低、寿命长、环保等很多其它传统照明光源无法比拟的优势.因此被认为是取代白炽灯跟荧光灯最具潜力的照明光源.随着led产业的迅猛发展,大功率白光led的应用范围在逐步扩大化,相应地对其性能也日益提出更高要求,本文介绍了大功率LED在应用中的发热问题以及原因,并对大功率LED散热技术发展进行了展望.
关 键 词：LED,大功率,散热
1.前言
LED自发明以来,时至今日,已深入生活各个角落,因LED本身各方面优势,使传统发光组件正逐一被LED所取代,LED光电产业是一个新兴的朝阳产业,具有节能、环保的特点,尤其是2009年12月哥本哈根全球气候会议的低碳减排效应,将使LED光电产业更加符合我们国家的能源、减碳战略,而获得更多的产业支持和市场需求.LED是个光电器件,其工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能,其余的电能几乎都转换成热能,使LED的温度升高.在大功率LED中,散热是个大问题.然而,随着功率增加,LED所产生电热流之废热无法有效散出,导致发光效率严重下降.LED使用寿命的定义为,当LED发光效率低于原发光效率之70%时,可视为LED寿命终结.LED发光效率会随着使用时间及次数而降低,而过高的接面温度则会加速LED发光效率衰减,故散热成LED显学.为了让LED发更亮的光而需要输入更高的功率,然而目前高功率LED的光电转换效率值仍然有限,由于LED晶片面积很小,因此使高功率LED单位面积的发热量非常高,甚至较一般的IC元件更为严重,也使得LED晶片的接面温度大为提升,容易造成过热问题.过高的晶片接面温度会使LED的发光亮度降低,其中以红光的衰减最为明显.也会造成LED的波长偏移而影响演色性,更会造成LED可靠度的大幅降低,因此散热技术已成为目前LED技术发展的瓶颈.
2.LED散热技术及节能减排
2.1金属基板
因此最近几年逐渐改用高热传导陶瓷,或是金属树脂封装结构,就是为了解决散热、与强化原有特性做的努力.LED芯片高功率化常用方式是：芯片大型化、改善发光效率、采用高取光效率的封装、及大电流化.这类做法虽然电流发光量会呈比例增加,不过发热量也会随之上升.对高功率LED封装技术上而言,由于散热的问题造成了一定程度的困扰,在此背景下具有高成本效益的金属基板技术,就成了LED高效率化之后另1个备受关心的新发展.
一般来说,树脂基板的散热,只能够支持0.5W以下的LED,超过0.5W以上的LED,多改用金属或陶瓷高散热基板进行封装,主要原因是,基板的散热性直接影响LED寿命与性能,因此封装基板成为设计高辉度LED商品的开发重点.
2.2高功率加速金属基板取代树脂材料
关于LED封装基板散热设计,目前大致可以分成,LED芯片至封装体的热传导、及封装体至外部的热传达两大部分.使用高热传导材时,封装内部的温差会变小,此时热流不会呈局部性集中,LED芯片整体产生的热流,呈放射状流至封装内部各角落,所以利用高热传导材料,可提高内部的热扩散性.随LED芯片大型化、大电流化、高功率化发展,会加速金属封装取代传统树脂封装方式.就目前金属高散热基板材料而言,可分成硬质与可挠曲两种基板,结构上,硬质基板属于传统金属材料,金属LED封装基板采铝与铜等材料,绝缘层部分,大多采充填高热传导性无机填充物,拥有高热传导性、加工性、电磁波遮蔽性、耐热冲击性等金属特性,厚度方面通常大于1mm,大多都广泛应用在LED灯具模块,与照明模块等,技术上是与铝质基板具相同高热传导能力,在高散热要求下,相当有能力担任高功率LED封装材料.
2.3各封装基板业者正积极开发可挠曲基板
可挠曲基板的出现,原期望应用在汽车导航的LCD背光模块薄形化需求而开发,以及高功率LED可以完成立体封装要求下产生,基本上可挠曲基板以铝为材料,是利应用铝的高热传导性与轻量化特性,制成高密度封装基板,透过铝质基板薄板化后,达可挠曲特性,并且也能够具高热传导特性.不过,金属封装基板的缺点是,金属热膨胀系数很大,当与低热膨胀系数陶瓷芯片焊接时,容易受热循环冲击,所以当使用氮化铝封装时,金属封装基板可能会发生不协调现象,因此必需克服LED中,各种不同热膨胀系数材料,所造成的热应力差异,提高封装基板的可靠性.高热传导挠曲基板,是在绝缘层黏贴金属箔,虽然基本结构与传统挠曲基板完全相同,不过在绝缘层方面,是采用软质环氧树脂充填高热传导性无机填充物,因此具有8W/（mK）的高热传导性,同时还兼具柔软可挠曲、高热传导特性与高可靠性,此外可挠曲基板还可以依照客户需求,可将单面单层板设计成单面双层、双面双层结构.
3.结论
目前国际上各大LED晶片及封装厂商都致力于发展发光效率更高的产品,透过提升光的量子效率等方式提升光电转换效率,以降低晶片发热量,将可使散热的瓶颈大为降低,也可使被动形式的散热设计更能应用于各种高功率LED产品.为了使LED产品的发展及应用更为快速,相关的散热技术仍需同步发展.散热问题在各种高功率LED的产品设计中仍将有重要的地位.