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高亮度LED之「封裝熱導」原理技術探析

晨怡热管 DigiTimes.com 郭長祐 2008-1-22 0:32:25

高亮度LED技術與應用趨勢(1)高亮度LED之「封裝光通」原理技術探析

高亮度LED技術與應用趨勢(2)反射式高亮度LED帶動液晶投影機變革

高亮度LED技術與應用趨勢(3)散熱問題持續困擾高功率白光LED的應用

高亮度LED技術與應用趨勢(4)高亮度LED之「封裝熱導」原理技術探析

高亮度LED技術與應用趨勢(5)白光LED頭燈技術發展與目前研究現況

 

前言:過去LED只能拿來做為狀態指示燈的時代,其封裝散熱從來就不是問題,但近年來LED的亮度、功率皆積極提升,並開始用於背光與電子照明等應用後,LED的封裝散熱問題已悄然浮現。

 上述的講法聽來有些讓人疑惑,今日不是一直強調LED的亮度突破嗎?2003年Lumileds Lighting公司Roland Haitz先生依據過去的觀察所理出的一個經驗性技術推論定律,從1965年第一個商業化的LED開始算,在這30多年的發展中,LED約每18個月∼24個月可提升一倍的亮度,而在往後的10年內,預計亮度可以再提升20倍,而成本將降至現有的1/10,此也是近年來開始盛行的Haitz定律,且被認為是LED界的Moore(摩爾)定律。

 依據Haitz定律的推論,亮度達100lm/W(每瓦發出100流明)的LED約在2008年∼2010年間出現,不過實際的發展似乎已比定律更超前,2006年6月日亞化學工業(Nichia)已經開始提供可達100lm/W白光LED的工程樣品,預計年底可正式投入量產。


▲Haitz定律可說是LED領域界的Moore定律,根據Roland Haitz的表示,過去30多年來LED幾乎每18∼24個月就能提升一倍的發光效率,也因此推估未來的10年(2003年∼2013年)將會再成長20倍的亮度,但價格將只有現在的1/10。(圖片來源:Lumileds.com)



 不僅亮度不斷提升,LED的散熱技術也一直在提升,1992年一顆LED的熱阻抗(Thermal Resistance)為360℃/W,之後降至125℃/W、75℃/W、15℃/W,而今已是到了每顆6℃/W∼10℃/W的地步,更簡單說,以往LED每消耗1瓦的電能,溫度就會增加360℃,現在則是相同消耗1瓦電能,溫度卻只上升6℃∼10℃。

少顆數高亮度、多顆且密集排佈是增熱元兇

 既然亮度效率提升、散熱效率提升,那不是更加矛盾?應當更加沒有散熱問題不是?其實,應當更嚴格地說,散熱問題的加劇,不在高亮度,而是在高功率;不在傳統封裝,而在新封裝、新應用上。

 首先,過往只用來當指示燈的LED,每單一顆的點亮(順向導通)電流多在5mA∼30mA間,典型而言則為20mA,而現在的高功率型LED(註1),則是每單一顆就會有330mA∼1A的電流送入,「每顆用電」增加了十倍、甚至數十倍(註2)。

 註1:現有高功率型LED的作法,除了將單一發光裸晶的面積增大外,也有採行將多顆裸晶一同封裝的作法。事實上有的白光LED即是在同一封裝內放入紅、綠、藍3個原色的裸晶來混出白光。

 註2:雖然各種LED的點亮(順向導通)電壓有異,但在此暫且忽略此一差異。

 在相同的單顆封裝內送入倍增的電流,發熱自然也會倍增,如此散熱情況當然會惡化,但很不幸的,由於要將白光LED拿來做照相手機的閃光燈、要拿來做小型照明用燈泡、要拿來做投影機內的照明燈泡,如此只是高亮度是不夠的,還要用上高功率,這時散熱就成了問題。

 上述的LED應用方式,僅是使用少數幾顆高功率LED,閃光燈約1∼4顆,照明燈泡約1∼8顆,投影機內10多顆,不過閃光燈使用機會少,點亮時間不長,單顆的照明燈泡則有較寬裕的周遭散熱空間,而投影機內雖無寬裕散熱空間但卻可裝置散熱風扇。


▲圖中為InGaN與AlInGaP兩種LED用的半導體材料,在各尖峰波長(光色)下的外部量子化效率圖,雖然最理想下可逼近40%,但若再將光取效率列入考慮,實際上都在15%∼25%間,何況兩種材料在更高效率的部分都不在人眼感受性的範疇內,範疇之下的僅有20%。(圖片來源:Lumileds.com)



 可是,現在還有許多應用是需要高亮度,但又需要將高亮度LED密集排列使用的,例如交通號誌燈、訊息看板的走馬燈、用LED組湊成的電視牆等,密集排列的結果便是不易散熱,這是應用所造成的散熱問題。

 更有甚者,在液晶電視的背光上,既是使用高亮度LED,也要密集排列,且為了講究短小輕薄,使背部可用的散熱設計空間更加拘限,且若高標要求來看也不應使用散熱風扇,因為風扇的吵雜聲會影響電視觀賞的品味情緒。

散熱問題不解決有哪些副作用?

 好!倘若不解決散熱問題,而讓LED的熱無法排解,進而使LED的工作溫度上升,如此會有什麼影響嗎?關於此最主要的影響有二:(1)發光亮度減弱、(2)使用壽命衰減。

 舉例而言,當LED的p-n接面溫度(Junction Temperature)為25℃(典型工作溫度)時亮度為100,而溫度升高至75℃時亮度就減至80,到125℃剩60,到175℃時只剩40。很明顯的,接面溫度與發光亮度是呈反比線性的關係,溫度愈升高,LED亮度就愈轉暗。

 溫度對亮度的影響是線性,但對壽命的影響就呈指數性,同樣以接面溫度為準,若一直保持在50℃以下使用則LED有近20,000小時的壽命,75℃則只剩10,000小時,100℃剩5,000小時,125℃剩2,000小時,150℃剩1,000小時。溫度光從50℃變成2倍的100℃,使用壽命就從20,000小時縮成1/4倍的5,000小時,傷害極大。

裸晶層:光熱一體兩面的發散源頭:p-n接面

 關於LED的散熱我們同樣從最核心處逐層向外討論,一起頭也是在p-n接面部分,解決方案一樣是將電能盡可能轉化成光能,而少轉化成熱能,也就是光能提升,熱能就降低,以此來降低發熱。

 如果更進一步討論,電光轉換效率即是內部量子化效率(Internal Quantum Efficiency;IQE),今日一般而言都已有70%∼90%的水準,真正的癥結在於外部量子化效率(External Quantum Efficiency;EQE)的低落。

 以Lumileds Lighting公司的Luxeon系列LED為例,Tj接面溫度為25℃,順向驅動電流為350mA,如此以InGaN而言,隨著波長(光色)的不同,其效率約在5%∼27%之間,波長愈高效率愈低(草綠色僅5%,藍色則可至27%),而AlInGaP方面也是隨波長而有變化,但卻是波長愈高效率愈高,效率大體從8%∼40%(淡黃色為低,橘紅最高)。


▲從Lumileds公司Luxeon系列LED的橫切面可以得知,矽封膠固定住LED裸晶與裸晶上的螢光質(若有用上螢光質的話),然後封膠之上才有透鏡,而裸晶下方用焊接(或導熱膏)與矽子鑲嵌晶片(Silicon Sub-mount Chip)連接,此晶片也可強化ESD靜電防護性,往下再連接散熱塊,部分LED也直接裸晶底部與散熱塊相連。(圖片來源:Lumileds.com)


▲Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶採行覆晶鑲嵌法,因此其藍寶石基板變成在上端,同時還加入一層銀質作為光反射層,進而增加光取出量,此外也在Silicon Submount內製出兩個基納二極體(Zener Diode),使LED獲得穩壓效果,使運作表現更穩定。(圖片來源:Lumileds.com)



 由於增加光取出率(Extraction Efficiency,也稱:汲光效率、光取效率)也就等於減少熱發散率,等於是一個課題的兩面,而關於光取出率的提升請見另一篇專文:高亮度LED之「封裝光通」原理技術探析。在此不再討論。

裸晶層:基板材料、覆晶式鑲嵌

 如何在裸晶層面增加散熱性,改變材質與幾何結構再次成為必要的手段,關於此目前最常用的兩種方式是:1.換替基板(Substrate,也稱:底板、襯底,有些地方也稱為:Carrier)的材料。2.經裸晶改採覆晶(Flip-Chip,也稱:倒晶)方式鑲嵌(mount)。

 先說明基板部分,基板的材料並不是說換就能換,必須能與裸晶材料相匹配才行,現有AlGaInP常用的基板材料為GaAs、Si,InGaN則為SiC、Sapphire(並使用AlN做為緩衝層)。


▲為了強化LED的散熱,過去的FR4印刷電路板已不敷應付,因此提出了內具金屬核心的印刷電路板,稱為MCPCB,運用更底部的鋁或銅等熱傳導性較佳的金屬來加速散熱,不過也因絕緣層的特性使其熱傳導受到若干限制。(製圖:郭長祐)



 對光而言,基板不是要夠透明使其不會阻礙光,就是在發光層與基板之間再加入一個反光性的材料層,以此避免「光能」被基板所阻礙、吸收,形成浪費,例如GaAs基板即是不透光,因此再加入一個DBR(Distributed Bragg Reflector)反射層來進行反光。而Sapphire基板則是可直接反光,或透明的GaP基板可以透光。

 除此之外,基板材料也必須具備良好的熱傳導性,負責將裸晶所釋放出的熱,迅速導到更下層的散熱塊(Heat Slug)上,不過基板與散熱塊間也必須使用熱傳導良好的介接物,如焊料或導熱膏。同時裸晶上方的環氧樹脂或矽樹脂(即是指:封膠層)等也必須有一定的耐熱能力,好因應從p-n接面開始,傳導到裸晶表面的溫度。

 除了強化基板外,另一種作法是覆晶式鑲嵌,將過去位於上方的裸晶電極轉至下方,電極直接與更底部的線箔連通,如此熱也能更快傳導至下方,此種散熱法不僅用在LED上,現今高熱的CPU、GPU也早就採行此道來加速散熱。

從傳統FR4 PCB到金屬核心的MCPCB

 將熱導到更下層後,就過去而言是直接運用銅箔印刷電路板(Printed Circuit Board;PCB)來散熱,也就是最常見的FR4印刷電路基板,然而隨著LED的發熱愈來愈高,FR4印刷電路基板已逐漸難以消受,理由是其熱傳導率不夠(僅0.36W/m.K)。

 為了改善電路板層面的散熱,因此提出了所謂的金屬核心的印刷電路板(Metal Core PCB;MCPCB),即是將原有的印刷電路板附貼在另外一種熱傳導效果更好的金屬上(如:鋁、銅),以此來強化散熱效果,而這片金屬位在印刷電路板內,所以才稱為「Metal Core」,MCPCB的熱傳導效率就高於傳統FR4 PCB,達1W/m.K∼2.2W/m.K。

 不過,MCPCB也有些限制,在電路系統運作時不能超過140℃,這個主要是來自介電層(Dielectric Layer,也稱Insulated Layer,絕緣層)的特性限制,此外在製造過程中也不得超過250℃∼300℃,這在過錫爐時前必須事先瞭解。

 附註:雖然鋁、銅都是合適的熱導熱金屬,不過礙於成本多半是選擇鋁材質。

IMS強化MCPCB在絕緣層上的熱傳導

 MCPCB雖然比FR4 PCB散熱效果佳,但MCPCB的介電層卻沒有太好的熱傳導率,大體與FR4 PCB相同,僅0.3W/m.K,成為散熱塊與金屬核心板間的傳導瓶頸。

 為了改善此一情形,有業者提出了IMS(Insulated Metal Substrate,絕緣金屬基板)的改善法,將高分子絕緣層及銅箔電路以環氧方式直接與鋁、銅板接合,然後再將LED配置在絕緣基板上,此絕緣基板的熱傳導率就比較高,達1.1∼2W/m.K,比之前高出3∼7倍的傳導效率。

 更進一步的,若絕緣層依舊被認為是導熱性不佳,也有直接讓LED底部的散熱塊,透過在印刷電路板上的穿孔(Through Hole)作法,使其直接與核心金屬接觸,以此加速散熱。此作法很耐人尋味,因為過去的印刷電路板不是為插件元件焊接而鑿,就是為線路繞徑而鑿,如今卻是為散熱設計而鑿。

結尾

 除了MCPCB、MCPCB+IMS法之外,也有人提出用陶瓷基板(Ceramic Substrate),或者是所謂的直接銅接合基板(Direct Copper Bonded Substrate,簡稱:DBC),或是金屬複合材料基板。無論是陶瓷基板或直接銅接合基板都有24∼170W/m.K的高傳導率,其中直接銅接合基板更允許製程溫度、運作溫度達800℃以上,不過這些技術都有待更進一步的成熟觀察。


▲Philips公司的彩色動態式LED照明模組,四組燈泡內各有一個1W的高亮度、高功率LED,且分別是紅、綠、藍、琥珀等四種顏色,主要用於購物場所的氣氛照明、牆壁色調的改變、建築物的戶外特效照明等。(

责任编辑: banye 参与评论
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