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高亮度LED封装热导原理

导读: 过去LED只能拿来做为状态指示灯的时代,其封装散热从来就不是问题,但近年来LED的亮度、功率皆积极提升,并开始用于背光与电子照明等应用后,LED的封装散热问题已悄然浮现。

  过去LED只能拿来做为状态指示灯的时代,其封装散热从来就不是问题,但近年来LED的亮度、功率皆积极提升,并开始用于背光与电子照明等应用后,LED的封装散热问题已悄然浮现。

  上述的讲法听来有些让人疑惑,今日不是一直强调LED的亮度突破吗?2003年Lumileds Lighting公司Roland Haitz先生依据过去的观察所理出的一个经验性技术推论定律,从1965年第一个商业化的LED开始算,在这30多年的发展中,LED约每18个月;24个月可提升一倍的亮度,而在往后的10年内,预计亮度可以再提升20倍,而成本将降至现有的1/10,此也是近年来开始盛行的Haitz定律,且被认为是LED界的Moore(摩尔)定律。

 


  依据Haitz定律的推论,亮度达100lm/W(每瓦发出100流明)的LED约在2008年;2010年间出现,不过实际的发展似乎已比定律更超前,2006年6月日亚化学工业(Nichia)已经开始提供可达100lm/W白光LED的工程样品,预计年底可正式投入量产。

 

  Haitz定律可说是LED领域界的Moore定律,根据Roland Haitz的表示,过去30多年来LED几乎每18;24个月就能提升一倍的发光效率,也因此推估未来的10年(2003年;2013年)将会再成长20倍的亮度,但价格将只有现在的1/10。(图片来源:Lumileds.com)

  不仅亮度不断提升,LED的散热技术也一直在提升,1992年一颗LED的热阻抗(Thermal Resistance)为360℃/W,之后降至125℃/W、75℃/W、15℃/W,而今已是到了每颗6℃/W∼10℃/W的地步,更简单说,以往LED每消耗1瓦的电能,温度就会增加360℃,现在则是相同消耗1瓦电能,温度却只上升6℃;10℃。

  少颗数高亮度、多颗且密集排布是增热元凶

  既然亮度效率提升、散热效率提升,那不是更加矛盾?应当更加没有散热问题不是?其实,应当更严格地说,散热问题的加剧,不在高亮度,而是在高功率;不在传统封装,而在新封装、新应用上。

  首先,过往只用来当指示灯的LED,每单一颗的点亮(顺向导通)电流多在5mA;30mA间,典型而言则为20mA,而现在的高功率型LED(注1),则是每单一颗就会有330mA;1A的电流送入,「每颗用电」增加了十倍、甚至数十倍(注2)。

  注1:现有高功率型LED的作法,除了将单一发光裸晶的面积增大外,也有实行将多颗裸晶一同封装的作法。事实上有的白光LED即是在同一封装内放入红、绿、蓝3个原色的裸晶来混出白光。

  注2:虽然各种LED的点亮(顺向导通)电压有异,但在此暂且忽略此一差异。

  在相同的单颗封装内送入倍增的电流,发热自然也会倍增,如此散热情况当然会恶化,但很不幸的,由于要将白光LED拿来做照相手机的闪光灯、要拿来做小型照明用灯泡、要拿来做投影机内的照明灯泡,如此只是高亮度是不够的,还要用上高功率,这时散热就成了问题。

  上述的LED应用方式,仅是使用少数几颗高功率LED,闪光灯约1;4颗,照明灯泡约1;8颗,投影机内10多颗,不过闪光灯使用机会少,点亮时间不长,单颗的照明灯泡则有较宽裕的周遭散热空间,而投影机内虽无宽裕散热空间但却可装置散热风扇。

  图中为InGaN与AlInGaP两种LED用的半导体材料,在各尖峰波长(光色)下的外部量子化效率图,虽然最理想下可逼近40%,但若再将光取效率列入考虑,实际上都在15%;25%间,何况两种材料在更高效率的部分都不在人眼感受性的范畴内,范畴之下的仅有20%。(图片来源:Lumileds.com)

  可是,现在还有许多应用是需要高亮度,但又需要将高亮度LED密集排列使用的,例如交通号志灯、讯息广告牌的走马灯、用LED组凑成的电视墙等,密集排列的结果便是不易散热,这是应用所造成的散热问题。

  更有甚者,在液晶电视的背光上,既是使用高亮度LED,也要密集排列,且为了讲究短小轻薄,使背部可用的散热设计空间更加拘限,且若高标要求来看也不应使用散热风扇,因为风扇的吵杂声会影响电视观赏的品味情绪。

  散热问题不解决有哪些副作用?

  好!倘若不解决散热问题,而让LED的热无法排解,进而使LED的工作温度上升,如此会有什么影响吗?关于此最主要的影响有二:(1)发光亮度减弱、(2)使用寿命衰减。

  举例而言,当LED的p-n接面温度(Junction Temperature)为25℃(典型工作温度)时亮度为100,而温度升高至75℃时亮度就减至80,到125℃剩60,到175℃时只剩40。很明显的,接面温度与发光亮度是呈反比线性的关系,温度愈升高,LED亮度就愈转暗。

  温度对亮度的影响是线性,但对寿命的影响就呈指数性,同样以接面温度为准,若一直保持在50℃以下使用则LED有近20,000小时的寿命,75℃则只剩10,000小时,100℃剩5,000小时,125℃剩2,000小时,150℃剩1,000小时。温度光从50℃变成2倍的100℃,使用寿命就从20,000小时缩成1/4倍的5,000小时,伤害极大。

  裸晶层:光热一体两面的发散源头:p-n接面

  关于LED的散热我们同样从最核心处逐层向外讨论,一起头也是在p-n接面部分,解决方案一样是将电能尽可能转化成光能,而少转化成热能,也就是光能提升,热能就降低,以此来降低发热。

  如果更进一步讨论,电光转换效率即是内部量子化效率(Internal Quantum Efficiency;IQE),今日一般而言都已有70%∼90%的水平,真正的症结在于外部量子化效率(External Quantum Efficiency;EQE)的低落。

  以Lumileds Lighting公司的Luxeon系列LED为例,Tj接面温度为25℃,顺向驱动电流为350mA,如此以InGaN而言,随着波长(光色)的不同,其效率约在5%∼27%之间,波长愈高效率愈低(草绿色仅5%,蓝色则可至27%),而AlInGaP方面也是随波长而有变化,但却是波长愈高效率愈高,效率大体从8%∼40%(淡黄色为低,橘红最高)。


  从Lumileds公司Luxeon系列LED的横切面可以得知,硅封胶固定住LED裸晶与裸晶上的荧光质(若有用上荧光质的话),然后封胶之上才有透镜,而裸晶下方用焊接(或导热膏)与硅子镶嵌芯片(Silicon Sub-mount Chip)连接,此芯片也可强化ESD静电防护性,往下再连接散热块,部分LED也直接裸晶底部与散热块相连.

 


Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶实行覆晶镶嵌法,因此其蓝宝石基板变成在上端,同时还加入一层银质作为光反射层,进而增加光取出量,此外也在Silicon Submount内制出两个基纳二极管(Zener Diode),使LED获得稳压效果,使运作表现更稳定。
  由于增加光取出率(Extraction Efficiency,也称:汲光效率、光取效率)也就等于减少热发散率,等于是一个课题的两面,而关于光取出率的提升请见另一篇专文:高亮度LED之「封装光通」原理技术探析。在此不再讨论。

  裸晶层:基板材料、覆晶式镶嵌

  如何在裸晶层面增加散热性,改变材质与几何结构再次成为必要的手段,关于此目前最常用的两种方式是:1.换替基板(Substrate,也称:底板、衬底,有些地方也称为:Carrier)的材料。2.经裸晶改采覆晶(Flip-Chip,也称:倒晶)方式镶嵌(mount)。

  先说明基板部分,基板的材料并不是说换就能换,必须能与裸晶材料相匹配才行,现有AlGaInP常用的基板材料为GaAs、Si,InGaN则为SiC、Sapphire(并使用AlN做为缓冲层)。


  为了强化LED的散热,过去的FR4印刷电路板已不敷应付,因此提出了内具金属核心的印刷电路板,称为MCPCB,运用更底部的铝或铜等热传导性较佳的金属来加速散热,不过也因绝缘层的特性使其热传导受到若干限制.

  对光而言,基板不是要够透明使其不会阻碍光,就是在发光层与基板之间再加入一个反光性的材料层,以此避免「光能」被基板所阻碍、吸收,形成浪费,例如GaAs基板即是不透光,因此再加入一个DBR(Distributed Bragg Reflector)反射层来进行反光。而Sapphire基板则是可直接反光,或透明的GaP基板可以透光。

  除此之外,基板材料也必须具备良好的热传导性,负责将裸晶所释放出的热,迅速导到更下层的散热块(Heat Slug)上,不过基板与散热块间也必须使用热传导良好的介接物,如焊料或导热膏。同时裸晶上方的环氧树脂或硅树脂(即是指:封胶层)等也必须有一定的耐热能力,好因应从p-n接面开始,传导到裸晶表面的温度。

  除了强化基板外,另一种作法是覆晶式镶嵌,将过去位于上方的裸晶电极转至下方,电极直接与更底部的线箔连通,如此热也能更快传导至下方,此种散热法不仅用在LED上,现今高热的CPU、GPU也早就实行此道来加速散热。

  从传统FR4 PCB到金属核心的MCPCB

  将热导到更下层后,就过去而言是直接运用铜箔印刷电路板(Printed Circuit Board;PCB)来散热,也就是最常见的FR4印刷电路基板,然而随着LED的发热愈来愈高,FR4印刷电路基板已逐渐难以消受,理由是其热传导率不够(仅0.36W/m.K)。

  为了改善电路板层面的散热,因此提出了所谓的金属核心的印刷电路板(Metal Core PCB;MCPCB),即是将原有的印刷电路板附贴在另外一种热传导效果更好的金属上(如:铝、铜),以此来强化散热效果,而这片金属位在印刷电路板内,所以才称为「Metal Core」,MCPCB的热传导效率就高于传统FR4 PCB,达1W/m.K∼2.2W/m.K。

  不过,MCPCB也有些限制,在电路系统运作时不能超过140℃,这个主要是来自介电层(Dielectric Layer,也称Insulated Layer,绝缘层)的特性限制,此外在制造过程中也不得超过250℃;300℃,这在过锡炉时前必须事先了解。

  附注:虽然铝、铜都是合适的热导热金属,不过碍于成本多半是选择铝材质。

  IMS强化MCPCB在绝缘层上的热传导

  MCPCB虽然比FR4 PCB散热效果佳,但MCPCB的介电层却没有太好的热传导率,大体与FR4 PCB相同,仅0.3W/m.K,成为散热块与金属核心板间的传导瓶颈。

  为了改善此一情形,有业者提出了IMS(Insulated Metal Substrate,绝缘金属基板)的改善法,将高分子绝缘层及铜箔电路以环氧方式直接与铝、铜板接合,然后再将LED配置在绝缘基板上,此绝缘基板的热传导率就比较高,达1.1;2W/m.K,比之前高出3;7倍的传导效率。

  更进一步的,若绝缘层依旧被认为是导热性不佳,也有直接让LED底部的散热块,透过在印刷电路板上的穿孔(Through Hole)作法,使其直接与核心金属接触,以此加速散热。此作法很耐人寻味,因为过去的印刷电路板不是为插件组件焊接而凿,就是为线路绕径而凿,如今却是为散热设计而凿。

  结尾

  除了MCPCB、MCPCB+IMS法之外,也有人提出用陶瓷基板(Ceramic Substrate),或者是所谓的直接铜接合基板(Direct Copper Bonded Substrate,简称:DBC),或是金属复合材料基板。无论是陶瓷基板或直接铜接合基板都有24∼170W/m.K的高传导率,其中直接铜接合基板更允许制程温度、运作温度达800℃以上,不过这些技术都有待更进一步的成熟观察。

  Philips公司的彩色动态式LED照明模块,四组灯泡内各有一个1W的高亮度、高功率LED,且分别是红、绿、蓝、琥珀等四种颜色,主要用于购物场所的气氛照明、墙壁色调的改变、建筑物的户外特效照明等。(小汤)

 

 

 

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