當(dāng)LED于60年代被使用后,，過去因LED使用功率不高，只能拿來作為顯示燈及訊號燈,，封裝散熱問題并未產(chǎn)生,，但近年來使用于背光照明的LED，其亮度,、功率皆持續(xù)的被提升,，因此散熱逐漸成為LED照明產(chǎn)業(yè)的首要問題。
LED量產(chǎn)且被大量使用后,，其發(fā)光亮度以突飛猛進(jìn)的速度上升,，由2001年的25 lm/W,，2006年6月 日亞化學(xué) 工業(yè)宣布實驗室可達(dá)134 lm/W，2007年2月Lumileds公司可達(dá)到115 lm/W,，2008年7月歐司朗則研發(fā)可達(dá)到136 lm/W之LED,，Cree實驗室于2008年11月可達(dá)161 lm/W，進(jìn)步至2009年初,， 日亞化學(xué) 工業(yè)發(fā)表的發(fā)光效率已可達(dá)249 lm/W,，而量產(chǎn)的LED于2010年將一舉突破100 lm/W之水準(zhǔn)。
圖1 Haitz定律
依據(jù)過去30年LED發(fā)展觀察,，Lumileds Lighting公司的Roland Haitz先生于2003年歸納出LED界的Moore(摩爾)定律—Haitz定律(如圖1所示),，說明LED約每18~24個月可提升一倍的亮度，以此定理推估10年內(nèi)LED亮度可以再提升20倍,，而成本將可降90%以達(dá)到可完全取代現(xiàn)有照明技術(shù),，因此LED照明于近幾年火熱的被重視與探討。
LED 背光照明
LED因耗電低,、不含汞,、壽命長、體積小,、降低二氧化碳排放量等優(yōu)勢吸引國內(nèi),、外廠商極力推廣取代現(xiàn)有照明。 LED主要照明可分為顯示背光,、車用照明,、交通號志與室內(nèi)室外照明，而背光模組于2009年被廣泛的應(yīng)用于筆記型電腦面板上,，此后亦逐漸被使用到家用電視機(jī),，其約占了50%之面板模組零組件制造成本與消耗約70%顯示器之電能，故背光照明為顯示面板最重要的關(guān)鍵,。 然液晶顯示器無法自行發(fā)光,，因此需要背光模組作為光線的來源，所以背光源的好壞會影響顯示的效果甚劇,。 加上面板需薄型化的因素,，因此多以CCFL燈管作為背光源，而LED背光源比起CCFL有演色性佳,、壽命長,、反應(yīng)速度快等優(yōu)勢(如表1)。
再加上近年來由于全球提倡環(huán)保議題,，各國政府的禁汞環(huán)保政策,，如歐盟的WEEE與RoHS指令與中國的電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理辦法等陸續(xù)推行，也驅(qū)使小體積封裝之LED成為替代CCFL的最佳無汞燈源,。 又由于LED單位成本發(fā)光效率持續(xù)快速成長中,，使得LED成本跌幅擴(kuò)大,，縮小了CCFL與LED的價差，也促使面板廠商開始大幅導(dǎo)入LED于背光模組,。
當(dāng)LED于60年代被使用后,，過去因LED使用功率不高，只能拿來作為顯示燈及訊號燈,，封裝散熱問題并未產(chǎn)生,，但近年來使用于背光照明的LED，其亮度,、功率皆持續(xù)的被提升,，因此散熱逐漸成為LED照明產(chǎn)業(yè)的首要問題。
LED量產(chǎn)且被大量使用后,，其發(fā)光亮度以突飛猛進(jìn)的速度上升,，由2001年的25 lm/W，2006年6月 日亞化學(xué) 工業(yè)宣布實驗室可達(dá)134 lm/W,，2007年2月Lumileds公司可達(dá)到115 lm/W,，2008年7月歐司朗則研發(fā)可達(dá)到136 lm/W之LED，Cree實驗室于2008年11月可達(dá)161 lm/W,，進(jìn)步至2009年初,， 日亞化學(xué) 工業(yè)發(fā)表的發(fā)光效率已可達(dá)249 lm/W，而量產(chǎn)的LED于2010年將一舉突破100 lm/W之水準(zhǔn),。
圖1 Haitz定律
依據(jù)過去30年LED發(fā)展觀察,，Lumileds Lighting公司的Roland Haitz先生于2003年歸納出LED界的Moore(摩爾)定律—Haitz定律(如圖1所示),，說明LED約每18~24個月可提升一倍的亮度,，以此定理推估10年內(nèi)LED亮度可以再提升20倍，而成本將可降90%以達(dá)到可完全取代現(xiàn)有照明技術(shù),，因此LED照明于近幾年火熱的被重視與探討,。
LED 背光照明
LED因耗電低、不含汞,、壽命長,、體積小、降低二氧化碳排放量等優(yōu)勢吸引國內(nèi),、外廠商極力推廣取代現(xiàn)有照明,。 LED主要照明可分為顯示背光、車用照明,、交通號志與室內(nèi)室外照明,，而背光模組于2009年被廣泛的應(yīng)用于筆記型電腦面板上，此后亦逐漸被使用到家用電視機(jī),，其約占了50%之面板模組零組件制造成本與消耗約70%顯示器之電能,，故背光照明為顯示面板最重要的關(guān)鍵,。 然液晶顯示器無法自行發(fā)光，因此需要背光模組作為光線的來源,，所以背光源的好壞會影響顯示的效果甚劇,。 加上面板需薄型化的因素，因此多以CCFL燈管作為背光源,，而LED背光源比起CCFL有演色性佳,、壽命長、反應(yīng)速度快等優(yōu)勢(如表1),。
再加上近年來由于全球提倡環(huán)保議題,，各國政府的禁汞環(huán)保政策，如歐盟的WEEE與RoHS指令與中國的電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理辦法等陸續(xù)推行,，也驅(qū)使小體積封裝之LED成為替代CCFL的最佳無汞燈源,。 又由于LED單位成本發(fā)光效率持續(xù)快速成長中，使得LED成本跌幅擴(kuò)大,，縮小了CCFL與LED的價差,，也促使面板廠商開始大幅導(dǎo)入LED于背光模組。
LED的散熱問題
目前提高LED亮度有兩種方式,，分別為增加晶片亮度以及多顆密集排列等方式,，這些方法都需輸入更高功率之能量，而輸入LED的能量,，大約20%會轉(zhuǎn)換成光源,，剩下80 %都轉(zhuǎn)成熱能，然在單顆封裝內(nèi)送入倍增的電流,，發(fā)熱自然也會倍增,，因此在如此小的散熱面積下，散熱問題會逐漸惡化,。 此封裝如僅應(yīng)用在只使用1~4顆LED的散光燈,，散光燈點亮?xí)r間短暫，故熱累積現(xiàn)象不明顯,；如應(yīng)用在液晶電視的背光上,，既使使用高亮度LED，也要密集排列并長時間點亮,，因此在有限的散熱空間內(nèi)難以適時的將這些熱排除于外,。
但很不幸的，產(chǎn)生的熱,，對晶粒是很嚴(yán)重的問題,。 當(dāng)晶粒介面溫度升高時，量子轉(zhuǎn)換效率導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度下降，且壽命也會跟著下降,；放射波長改變,，使得色彩穩(wěn)定性降低；受熱時因不同材質(zhì)的膨脹系數(shù)不同,，會有熱應(yīng)力累積使產(chǎn)品可靠性降低,，使用年限也會降低。 因此,，散熱是高功率LED極需解決的重要問題,。
基本熱力學(xué)
傳統(tǒng)光源白熾燈有73%以紅外線輻射方式進(jìn)行散熱，在周圍可以感受到高溫高熱,，所以燈泡本體熱累積現(xiàn)象輕微,，而LED產(chǎn)生的光，大多分布在以可見光或紫外光居多,，不能以輻射方式幫助散熱,，又因LED封裝面積較小，難以將熱量散出,，導(dǎo)致LED照明品質(zhì)有很大的問題產(chǎn)生,，由此得知LED熱能問題是目前急待被解決。
在討論LED熱管理的議題前,，首先要先了解基本熱力學(xué),。 基本上散熱有3種方式(表2)，分別為“傳導(dǎo)式散熱”,、“對流式散熱”以及“輻射式散熱”,，從以上三者的理論公式可以分析出，散熱最主要問題點就在“面積”,；另外,，由于因輻射在接近室溫情況下散熱量非常小，所以最主要討論的散熱方式在傳導(dǎo)和對流兩方面,。
在了解散熱之前還要知道熱歐姆定理,，傳統(tǒng)的電流歐姆定理：V=IR,，壓降=電流×電阻,，電阻愈大，壓降就愈大,，表示電壓在元件中消耗量愈大,；同樣的，熱歐姆定理：ΔT=QR,，溫差=熱流×熱阻,，當(dāng)熱阻愈大時，就有愈多的熱殘留在元件內(nèi)，這說明了散熱效果要越好,，熱阻就要越低,。 熱歐姆定理是以熱阻(Thermal resistance)將熱傳以物理量量化，計算方式為LED介面溫度與室溫的溫差除以單位輸入功率,。 簡單來說,，如熱阻為10℃/W，表示每輸入1W的能量會是LED上升10℃,。
LED的熱管理
熱傳是以等向性的方式傳遞,，傳遞方向可大致區(qū)分成垂直與水平方向。 垂直方向相當(dāng)于將熱阻串聯(lián),，串聯(lián)數(shù)愈多,，熱阻愈大。 水平傳遞等于是并聯(lián)熱阻,，并聯(lián)熱阻數(shù)愈多熱阻越低,，表示增大傳導(dǎo)面積和加強(qiáng)傳熱速率。 因此要有較佳的散熱效果,，所傳導(dǎo)的層數(shù)要越少且截面積要越大,。
圖2為LED元件垂直熱阻圖，熱源由介面產(chǎn)生再垂直向上下傳遞,，因保護(hù)層封裝采用低熱傳系數(shù)材料,，加上面積又小，所以僅有極少量熱能向上傳遞而被忽略計算,，所以傳遞總熱阻=介面到黏接點熱阻＋黏接點到基板熱阻＋基板到載板熱阻＋載板到空氣熱阻,，熱會由介面迅速傳遞到大面積之載板或散熱片，再經(jīng)由水平傳遞到大面積的表面上與空氣熱交換對流完成散熱,。
基于上述理論,，將LED元件熱阻擴(kuò)大運用至背光散熱模組中，因大面積面板薄型化的需求,，在極小空間中使用高熱源密度元件,，所以除了自然對流外，還需輔以風(fēng)扇方式進(jìn)行強(qiáng)制對流增加散熱,。
LED所產(chǎn)生的熱,，大多經(jīng)由基板傳遞到載板散熱片上，再以水平方式迅速傳遞至整個載板之上,，此熱最后垂直傳導(dǎo)到大面積的筐體上,，促成筐體表面的熱對流和放射，利用通風(fēng)孔的熱空氣上升流動或風(fēng)散強(qiáng)制對流造成熱移動將熱量帶走,。 另外,，由等效熱阻圖(圖3)可觀察出,，散熱基板為整個背光散熱模組的傳遞核心，此說明將散熱基板熱阻降低,，對整體的散熱效益提升就越明顯,。
LED散熱封裝
降低LED熱累積的方式有主要有以下三種，一為改善晶粒特性,，在晶粒制作階段,，增加發(fā)光效率降低發(fā)熱的能量配置，此外傳統(tǒng)式晶片皆以藍(lán)寶石(sapphire)作為基板,，其藍(lán)寶石的熱傳導(dǎo)系數(shù)約只有20W/mK,，不易將磊晶層所產(chǎn)生的熱快速地排出至外部，因此Cree公司以具高熱傳導(dǎo)系數(shù)的“矽”來取代藍(lán)寶石,，進(jìn)而提升散熱能力,。
另外，改用越大尺寸的晶粒LED熱阻值就越小,。 二為固晶(Die Bonding)方式,，由打線(Wire Bonding)改為覆晶(Flip-Chip)，傳統(tǒng)LED封裝使用打線方式,，但相對于金屬,，藍(lán)寶石傳熱相當(dāng)慢，所以熱源會從金屬線傳導(dǎo),，但散熱效果不佳,。 Lumileds公司將晶粒改以覆晶方式倒置于散熱基板上，欲排除藍(lán)寶石不要在熱傳導(dǎo)路徑上,，并在幾何結(jié)構(gòu)上增加傳熱面積以降低熱阻,。 三為封裝基板采用氧化鋁、氮化鋁,、氧化鈹及氮化硼等高導(dǎo)熱以及與LED熱膨脹系數(shù)匹配的材料,，進(jìn)而降低整個散熱基板總熱阻方式。
以下將LED散熱封裝材料之比較列于表3,，早期LED以炮彈型方式進(jìn)行封裝,，其散熱路徑中有一小部分熱源經(jīng)保護(hù)層往大氣方向散熱，大多熱源僅能透過金屬架往基板散熱,，此封裝熱阻相當(dāng)?shù)卮?，達(dá)250~350℃/W。 進(jìn)而由表面貼合方式(SMD)于PCB基板上封裝,，主要是藉由與基板貼合一起的FR4載板來導(dǎo)熱,，利用增加散熱面積的方式來大幅降低其熱阻值。 但此低成本的封裝要面臨的問題是,，F(xiàn)R4本身熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，膨脹系數(shù)過高，且為不耐高溫的材料,，在高功率的LED封裝材料上不太適用,。
因此，再發(fā)展出內(nèi)具金屬核心的印刷電路板(MetalCorePCB,；MCPCB),，是將原印刷電路板貼附在金屬板上，運用貼附的鋁或銅等熱傳導(dǎo)性較佳的金屬來加速散熱,，此封裝技術(shù)可用于中階功率的LED封裝,。 MCPCB的鋁基板雖有良好的導(dǎo)熱系數(shù)，但還需使用絕緣層來分離線路,，但絕緣材多有熱阻,、熱膨脹系數(shù)過高的缺點，作為封裝高功率LED時較不適合,。 近期還有DBC(Direct Bond Copper)與DPC(Direct Plated Copper)技術(shù)被使用,，DBC熱壓銅于陶瓷板技術(shù)雖有良好的散熱系數(shù)，但密合強(qiáng)度,、熱應(yīng)力與線路解析度等問題仍有待解決,。
在陶瓷材料上以DPC成型之基板，具有耐高電壓,、耐高溫,、與LED熱膨脹系數(shù)匹配等優(yōu)勢外，還可將熱阻下降到10℃/W以下,，故此為現(xiàn)今最合適用在封裝高密度排列之HB LED散熱材料,。
結(jié)論
隨著大尺寸薄型化LED TV的市場需求逐年增加，其所需背光源的亮度也隨之增加,，導(dǎo)致大量的高功率LED須于狹小電視筐體中緊密排列,，使得高效率散熱基板的需求愈來愈大，因此由大毅科技堅強(qiáng)的技術(shù)團(tuán)隊于2010年所研發(fā)出的以DPC基板技術(shù)大量生產(chǎn)的陶瓷散熱基板,，將滿足日益擴(kuò)大的LED TV背光模組散熱需求,。
作者：楊士賢博士 任職于大毅科技LED散熱研發(fā)中心