大功率LED照明产品之散热技术介绍
：2018-08-23
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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，如图一所示。
图一、LED发光效率趋势比较
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。
为了让LED发更亮的光而需要输入更高的功率，然而目前大功率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，如图三所示，因此散热技术已成为目前LED技术发展的瓶颈。
图二、元件寿命和晶片温度的关系
图三、LED散热路径及热阻网路Chip Level 、Package Level 和PCB Level 的散热设计
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，如图四所示，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，图四是就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。
由于LED晶片的Sapphire 基板导热特性较差，会造成图三之热阻值Rjs 过高，因此改善方式必须用高导热的材料如铜取代Sapphire ，或是採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。
大功率LED的散热设计非常重要，关系到LED的发光的品质及使用寿命。透过热阻网路可迅速分析散热能力及需求并寻求散热对策，由于大功率LED发热密度很大，必须从Chip Level、Package Level、Board Level到System Level 各层级进行散热设计，降低热阻，才能得到最佳的散热效果。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。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。由于人类对于生活品质的需求不断提升，就如同IC 产品对于散热的需求一直存在，散热设计在各种大功率LED的产品设计中仍将佔有重要的地位。
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