光二極管(LED)具備輕薄、省電、環(huán)保、點(diǎn)亮反應(yīng)快、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，加上在成本續(xù)降之下，光輸出與功率仍不斷提升，促使LED照明的市場(chǎng)接受度與日俱增，從交通號(hào)志指示燈至大尺寸背光源，進(jìn)展到各種照明用途如車頭燈、室內(nèi)外照明燈具等。現(xiàn)階段LED發(fā)光效率已突破每瓦100流明，足以取代耗電的白熾燈、鹵素?zé)簦踔潦菬晒鉄襞c高壓氣體放電燈。
伴隨著高功率LED技術(shù)迭有進(jìn)展，LED尺寸逐漸縮小，熱量集中在小尺寸芯片內(nèi)，且熱密度更高，致使LED面臨日益嚴(yán)苛的熱管理考驗(yàn)。為降低LED熱阻，其散熱必須由芯片層級(jí)(Chip Level)、封裝層級(jí)(Package Level)、散熱基板層級(jí)(Board Level)到系統(tǒng)層級(jí)(System Level)，針對(duì)每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化的散熱設(shè)計(jì)，以獲得最佳的散熱(圖1)。
圖1 LED散熱策略
圖2 高功率LED剖面圖
從圖2中，可以了解整個(gè)高功率LED組件溫度定義，并利用公式1計(jì)算LED總熱阻值。其中Rj-a為芯片與空氣之間的熱阻值(K/W)，此部分的熱阻由芯片和封裝造成，屬于磊晶廠及封裝廠商負(fù)責(zé)范疇。Rsp-h為散熱基板與散熱鰭片之間的熱阻值(K/W)；Rh-a為散熱鰭片與空氣端的熱阻值(K/W)，Rsp-h及Rh-a為燈具系統(tǒng)商所負(fù)責(zé)的區(qū)域，以下將針對(duì)各關(guān)鍵組件進(jìn)行散熱策略探討。
藉尺寸/材料改善芯片散熱
LED芯片發(fā)光同時(shí)亦會(huì)產(chǎn)生熱能(光電轉(zhuǎn)換效率約為25～35%)，造成芯片溫度(Tj)提高，然LED所產(chǎn)生的熱能是透過下方的傳熱底座傳導(dǎo)(Tsp)，因此當(dāng)LED點(diǎn)亮?xí)r，若無法快速與有效的將熱量帶走，將會(huì)造成亮度降低、壽命變短及波長(zhǎng)飄移，甚至造成LED損壞，圖3為科瑞(Cree)EZ1000的芯片示意圖。
圖3 Cree-EZ1000的芯片示意圖
芯片的散熱策略可大致歸納為增加芯片尺寸和改變材料結(jié)構(gòu)兩種，芯片的熱阻計(jì)算為Rchip=Lchip/(Kchip×Achip)，其中Lchip為熱傳路徑的長(zhǎng)度(藍(lán)寶石基板厚度為100微米)；Kchip為總熱導(dǎo)系數(shù)(藍(lán)寶石約為35～40W/mK)；Achip為熱傳路徑的截面積(40mil=1mm2)。根據(jù)上式，若將藍(lán)寶石基板厚度由100微米縮短至80微米，芯片熱阻可降低20%，但不能無限制的縮短造成晶圓片破片。另外，若將Kchip值提高至280W/mK(SiC)，芯片熱阻可降低87.5%。因此，透過改變材料結(jié)構(gòu)是目前較有效降低芯片熱阻的方式。
FR4散熱基板成主流
一般對(duì)于常見LED的散熱基板，大致可區(qū)分為傳統(tǒng)印刷電路板環(huán)氧玻璃纖維板(FR4)、金屬基印刷電路板(MCPCB)、陶瓷基板(AL2O3)及復(fù)合基板四種(表1)。 由于傳統(tǒng)FR4的銅箔層散熱能力有限，必須藉由較厚的金屬層降低擴(kuò)散熱阻(Spreading Resistance)。另外再藉由介電層(Dielectrics)設(shè)計(jì)提高軸向上的熱傳速率，將熱能迅速傳導(dǎo)至散熱鰭片。從價(jià)格和量產(chǎn)觀點(diǎn)來看，印刷電路板優(yōu)于其他基板，但其熱傳導(dǎo)系數(shù)低(熱阻值高)，不利于LED散熱，針對(duì)此缺點(diǎn)可透過以下幾種方式進(jìn)行改善：
合并導(dǎo)熱孔降低熱阻值
在LED的傳熱底座及周邊范圍，加上導(dǎo)熱孔，并在其周圍鍍上一層銅箔層(35微米)，利用銅的高導(dǎo)熱性，將傳熱底座的熱能快速傳遞至下方的散熱鰭片，以降低FR4散熱基板熱阻值達(dá)7K/W(圖4)。
圖4 FR4合并導(dǎo)熱孔
合并導(dǎo)熱孔/導(dǎo)熱材料有助于縮減成本
利用類似第一種的制作程序，只是導(dǎo)熱孔內(nèi)加入高導(dǎo)熱系數(shù)的材料，并在導(dǎo)熱孔的上、下面與其周圍鍍上一層銅箔層(35微米)，藉由孔內(nèi)的導(dǎo)熱材料與孔周圍的銅箔層，將傳熱底座的熱能快速傳遞至下方的散熱鰭片，降低FR4散熱基板熱阻值至3K/W(圖5)。散熱基板實(shí)體圖如圖6所示。
圖5 FR4合并導(dǎo)熱孔及導(dǎo)熱材料
圖6 FR4散熱基板實(shí)體圖
MCPCB是最常見的高功率LED散熱基板，但此種基板最關(guān)鍵材料在于中間的介電絕緣層(Epoxy)，若是使用較高導(dǎo)熱系數(shù)的絕緣層材料，才能使LED的熱能快速透過下層的金屬板擴(kuò)散并傳遞至散熱鰭片；反之，使用低導(dǎo)熱材料，則熱能無法有效傳遞至金屬基板，形成高熱阻抗，其傳熱性能差異如圖7所示。 從圖8熱阻比較圖中可知，若是采用FR4合并導(dǎo)熱孔和導(dǎo)熱材料制程，可將散熱基板熱阻值減少，并降低散熱基板成本。
圖7 不同導(dǎo)熱材料形成的熱阻值比較
圖8 不同散熱基板熱阻值比較圖
透過散熱組件提高系統(tǒng)散熱效能
對(duì)于系統(tǒng)端的散熱策略，常見的散熱組件為鰭片(Heat Sink)、熱管(Heat Pipes)、均溫板(Vapor Chamber)、回路式熱管(Loop Heat Pipe, LHP)及壓電風(fēng)扇(Piezo Fans)。以下為各組件原理介紹及優(yōu)缺點(diǎn)。
散熱鰭片應(yīng)用最為普及
散熱鰭片主要是靠傳導(dǎo)與自然對(duì)流方式進(jìn)行散熱，為最常見的散熱方式，利用增加散熱面積與搭配風(fēng)道、開氣孔設(shè)計(jì)，提升傳導(dǎo)和自然對(duì)流能力，缺點(diǎn)為重量和落塵堆積造會(huì)成散熱不良。常見的散熱鰭片種類如圖9所示。
圖9 散熱鰭片實(shí)體圖
熱管可達(dá)成迅速散熱
熱管在計(jì)算機(jī)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，近年來亦被應(yīng)用在LED燈具，不外乎是看重其質(zhì)量輕且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱迅速且無動(dòng)件及毋須外加電源優(yōu)點(diǎn)。因此，針對(duì)LED熱密度極高的狀況下，熱管可快速散熱。然其缺點(diǎn)有溫度范圍限制、傳熱路徑較短及受重力影響時(shí)具方向性，因此應(yīng)用在LED燈具無法將熱源有效帶至遠(yuǎn)處，即便熱管能將熱源迅速帶離開，但仍須搭配各種散熱鰭片增加與空氣的接觸面積，進(jìn)而增加自然對(duì)流的能力(圖10)。
圖10 熱管實(shí)體圖
均溫板局限燈具外觀設(shè)計(jì)
均溫板、熱管原理與理論架構(gòu)相同，只有熱傳導(dǎo)的方向不同，熱管的熱傳導(dǎo)方式是一維的，是線的熱傳導(dǎo)方式；而均溫板的熱傳導(dǎo)方式系二維，是面的熱傳導(dǎo)方式，因此均溫板可將熱源均勻擴(kuò)散開來，以降低擴(kuò)散熱阻。但即便均溫板在燈具應(yīng)用僅能為垂直方向傳遞，不如熱管可把熱往水平或垂直方向傳遞，所以在燈具外型設(shè)計(jì)受限較大(圖11)。
圖11 均溫板實(shí)體圖
回路式熱管實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離熱傳導(dǎo)
回路式熱管是依靠封閉式回路管內(nèi)的工質(zhì)，在加熱端與冷卻端的熱交換進(jìn)而達(dá)成熱量傳遞。熱量從加熱端傳遞給工質(zhì)，使工質(zhì)變成蒸氣。而當(dāng)蒸氣流經(jīng)冷卻端時(shí)，其被冷凝成液體，而加熱端內(nèi)部的毛細(xì)結(jié)構(gòu)可利用毛細(xì)力將冷凝液體帶回蒸發(fā)器，如此即可完成流體循環(huán)，達(dá)成熱能的傳遞。除一般傳統(tǒng)熱管的優(yōu)點(diǎn)外，回路式熱管最吸引人之處在于它可做長(zhǎng)距離熱量傳遞、管路可彎曲，因此極富靈活性且不受重力場(chǎng)的影響，任何方向均可操作。因此藉由回路式熱管遠(yuǎn)距離熱傳特性，將LED熱源所釋放出來的熱藉由銅管回路傳遞至燈殼上(散熱板)，并利用大面積燈殼表面與空氣接觸，在自然對(duì)流運(yùn)作下，毋須借助任何額外電力，可不斷循環(huán)散熱，有效解決散熱的問題，進(jìn)而提升LED燈具壽命(圖12)。
圖12 應(yīng)用LHP的LED燈具實(shí)體圖
壓電風(fēng)扇適合室內(nèi)燈具應(yīng)用
相較于一般的傳統(tǒng)風(fēng)扇而言，壓電風(fēng)扇具備體積小、消耗功率小、噪音小、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)相當(dāng)適用于現(xiàn)在室內(nèi)LED燈具散熱所需的低功率、低噪音和不占空間的要求。而壓電風(fēng)扇則是利用壓電材料具有壓電效應(yīng)的特性來造成葉片的擺動(dòng)，造成空氣流動(dòng)來帶走LED產(chǎn)生的溫度。一般選用壓電風(fēng)扇性能參數(shù)在于其壓電參數(shù)、扇葉厚度和黏合膠(Bonding Glue)之不同。圖13顯示一個(gè)實(shí)際應(yīng)用范例，此為一個(gè)室內(nèi)燈具模塊，搭配壓電風(fēng)扇及小面積散熱鰭片，形成氣流，提高對(duì)流熱傳系數(shù)。
圖13 主動(dòng)式壓電風(fēng)扇散熱
LED以其節(jié)能及環(huán)保特點(diǎn)有著廣闊的應(yīng)用空間，在照明領(lǐng)域中，LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引世人目光，一般來說，LED燈具能否穩(wěn)定工作？能否如外界預(yù)期的十萬小時(shí)壽命？此與芯片至燈具的散熱息息相關(guān)。綜觀上述各種散熱技術(shù)，不難發(fā)現(xiàn)LED的散熱技術(shù)日益多元化。應(yīng)用在高功率LED燈具的散熱技術(shù)，也不再是單一選擇或單一應(yīng)用。如何巧妙搭配各種散熱技術(shù)，使其達(dá)成低熱阻、高功率之LED燈具，為目前LED最重要的課題之一。