高功率LED的散热设计与应用趋势分析

随著全球的环保意识抬头,白炽灯泡将采取逐渐减少用量的政策,以降低环境光源所造成的大量能源浪费问题,取而代之且最具替代优势的新世代光源,就属led 产品莫属。LED发展迄今已逐渐具备多项成熟优势,例如,省电、高效率、高反应速度、寿命长,与全制程均不含汞的多项环保优点,加上体积小、重量轻与可在各种表面设置等元件 特色,已成为全球灯具与元件厂积极开发的应用光源,但实际上LED在我们所输入的能源中,仅有两成能源可以转换为光能,剩下的八成能源多半形成废热散逸。

　　LED虽在元件有多项环保优势,但与一般白炽灯具一样,灯具本身自己发光产生的热,也会间接影响灯具自身的使用寿命,尤其是LED为点状发光光源,其所产生的热能也集中在极小的区域,若产生的高温无法顺利排解,那LED的结面温度将会因此偏高,进而直接影响LED的使用寿命与发光表现。

　　LED的光衰问题 须透过辅助技术改善

　　LED虽是极具未来性的光源元件,即便具备寿命长优点,但依旧仍有其寿命限制,尤其是大功率 的LED,因为其发光功率 高,所加诸的电力大,工作时间超长,甚至还必须放置于户外应用,在环境与元件本身的诸多限制,往往令其使用寿命大幅降低。

　　过去在元件的概念都以为,LED至少都有10万小时寿命,其实目前的元件在实地应用时,却不见得能达到如此高标准的寿命表现,其实问题的核心就在LED的光衰现象,一般而言,如果不考虑线路或是电源电路 的故障问题,LED元件本身若发光亮度 降低至原有的30%以下,就可以视此LED元件达到不堪用的程度。观察LED的光衰现象,可以从多个层面讨论,多数的白光LED 是由蓝光 晶粒LED搭配光学 塑料掺杂黄色萤光粉所呈现,以白光LED为例,其光衰现象就可以从蓝光晶粒本身的光衰、与黄色萤光粉本身的光衰两部分所组成。

　　在萤光粉的光衰问题,其实对于温度的影响甚巨,而在晶粒的光衰问题,不同颜色的晶粒光衰现象亦有蛮大的差距,其光衰特性的差异视不同厂商、制程与萤光粉配方不同,都会影响其表现,很难用一致性的讨论来下定论,一般LED元件的光衰表现可透过LED的厂商的测试 数据,检视其光衰曲线图大致确认元件特性。

　　元件温度将直接影响使用寿命

　　一般而言,LED的结面温度与发光效 率是两组对立的数值,当结面温度增加,发光效率也会持续降低,以实验室的数据取一般LED为例作为参考,当结面温度持续自室温提升到100度时,发光效率将持续减低,最高可减少70%左右,如果取白光、蓝光、红光与黄光几种常见LED光色产品进行评估,会发现黄光LED受热造成的光衰现象更为显著。

　　同时,若将关注焦点移转至使用寿命部分进行微观检视,在测试数据可以很明显发现在70度高温上下运行时,LED的使用寿命即有75%衰退状况!同理可证,若要让LED发光源能达到最佳化的应用表现,不管是发光效率的提升、还是使用寿命的延长,LED「散热」设计就成为相当重要的关键技术。

　　LED光源 最大的挑战在克服光衰,光衰问题必须从散热着手

　　观察LED元件的结构特性

　　想了解LED的散热问题与待克服的技术瓶颈,就必须先针对LED结构特性进行观察,了解其运作是如何产生热源,与在不加诸任何辅助散热措施下,LED是透过何种方式处理所产生的热源。

　　基本上LED为电流驱动 元件,发光的方式是于LED晶粒(Die)以共晶(Eutectic )、覆晶(Flip chip)或打金线的方式,把晶粒放置在基板上,而为了保护共晶、覆晶或打金线的线路与晶粒本身,外表覆上耐高温的透明材料、或是光学材料。

　　从结构上就能发现,除了LED外覆光学材料的表面可透过接触空气进行热交换的散热行为外,LED在发光过程所产生的热,亦可从晶粒上打的金线,直接传导至焊接的主机板散逸热源,此外,晶粒采共晶或覆晶所放置的System circuit board,透过表面接触的热传导效果,也可散出绝大部分产生的热源。

　　改善热阻强化LED散热 效率

　　讨论LED散热效率前需先理解热阻(thermal resistance)问题,热阻是物体对热能传导的阻碍程度,在单位表示上为℃/W,检言之就是针对一个物体传热功率为1W,而导热物件两个端点的温度差异,即为该物件的热阻值,至于检视LED的热阻,则是讨论在LED开启发光后,当LED元件内的晶粒热量传导趋于稳定时,在芯片的表面以每1W进行散逸,在LED的晶粒P/N结点的联机或散热基板间的温度差异,就成为LED的热阻。

　　影响LED元件热阻的因素很多,例如,LED的晶粒线路连接方式、架构,到光学覆盖层的材料特性,都会影响LED热阻值,而降低LED也是提升元件寿命的重要手段。此外,象是LED晶粒是采导热胶或金属直接相连,都会影响LED热阻大小。

　　管状与平板状的LED灯具 设计,在主/