LED照明产品的散热技术分析[1]

　　LED 照明应用趋势及散热问题由于固态光源(Solid State Lighting)技术不断进步，使近年来LED 的发光效率提升，逐渐能取代传统光源，目前发光效率已追过白炽灯及卤素灯而持续向上成长，如图1所示。而一些公司更已开发出效率突破100lm/W 的LED 元件，这也使得LED 的照明应用越来越广，不但已开始应用于室内及户外照明、手机背光模组及汽车方向灯等，更看好在高瓦数的投射灯及路灯等强光照明、大尺寸背光模组以及汽车头灯等的应用。由于拥有省电、环保及寿命长等优点，更使未来以LED 光源为主流的趋势越趋明显。

　　图1 LED 发光效率趋势比较

　　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(Wall-Plug-Efficiency; WPE)值仍然有限，一般仅有约15~25% 的输入功率成为光，其馀则会转换成热能。由于LED晶片面积很小(~1mm2)，因此使高功率LED单位面积的发热量(发热密度)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(Junction Temperature)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，如图2所示，因此散热技术已成为目前LED 技术发展的瓶颈。

　　图2 元件寿命和晶片温度的关系

　　因此散热设计的挑战较大，必须从晶片层级、封装层级、PCB 层级到系统模组层级，都要非常重视散热设计，并寻求最佳的散热方桉。对于LED 照明产品而言，由于系统端的散热限制较大，因此其它层级的散热需求就更明显。

　　对于LED 热传问题，最基本的分析方法就是利用热阻网路进行分析。也就是将LED 由晶片热源到环境温度的主要散热路径建构热阻网路，如图3所示，然后分析各热阻值的特性及大小，如此可以推算理想状况时的晶片温度，并针对热阻网路各部分下对策以降低热阻值。需注意的是，图3是就Chip Level 、Package Level 、Board Level 及System Level 组成的热阻网路。实际分析时可依据系统结构组成更详细的热阻网路，例如考虑Die Attach 材料及Solder 等介面材料之热阻，或是散热模组结构之热阻值。

　　图3 LED 散热路径及热阻网路

　　Chip Level 、Package Level 和PCB Level 的散热设计

　　由于LED 晶片的Sapphire 基板导热特性较差，会造成图3之热阻值Rjs 过高，因此改善方式必须用高导热的材料如铜取代Sapphire ，或是采用覆晶方式将基板移开热传路径，以降低热阻值。

　　目前在晶片到封装层级性能较佳的散热设计，包括共融合金基板及覆晶形式等设计，使热更容易从晶片传到封装中。而增加晶片尺寸以降低发热密度也是可行的方向。在封装散热设计技术上，利用高导热金属(Al, Cu..)的散热座，如图4所示，及高导热陶瓷基板(AlN, SiC...)等设计则可将晶片的热迅速扩散，有效降低封装热阻值Rsc 。在PCB 层级的散热设计上，和传统PCB 不同的地方主要是由于LED 发热密度太大，传统FR4+ 铜箔层的散热能力有限，因此需要藉由较厚的金属层以降低扩散热阻(Spreading Resistance)，此种结构称为MCPCB (Metal Core PCB)。

　　MCPCB的基本结构如图5所示，包括较厚的金属层、介电层及铜箔层。可将封装的热进一步扩散并迅速传到系统模组的散热元件，以缩小热阻值 Rcb。

　　图4 高功率LED 之封装结构及Heat Slug 结构

　　图5 MCPCB 结构图

　　为了降低元件热阻值，目前一些设计採用Chip-on-board 的设计，直接将LED 晶片设计在MCPCB 上，而减少封装材料及Solder 界面材料的热阻值，因此提升散热效果，目前许多公司的产品也採用此种设计方式(Lamina Inc., Citizen Inc., OSRAM Inc, Avago Technologies...)。然而，此种设计增加了光学设计的困难及造成製程可靠度问题，设计上较为複杂。