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详解各种LED散热技术 洞悉LED灯具散热策略

作者:时间:2012-09-10来源:网络收藏

标签 照明 光源

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/200062.htm

发光二极管(led)具备轻薄、省电、环保、点亮反应快、长寿命等特点,加上在成本续降之下,光输出与功率仍不断提升,促使照明的市场接受度与日俱增,从交通号志指示灯至大尺寸背光源,进展到各种照明用途如车头灯、室内外照明等。现阶段发光效率已突破每瓦100流明,足以取代耗电的白炽灯、卤素灯,甚至是荧光灯与高压气体放电灯。

伴随着高功率LED技术迭有进展,LED尺寸逐渐缩小,热量集中在小尺寸芯片内,且热密度更高,致使LED面临日益严苛的热管理考验。为降低LED热阻,其散热必须由芯片层级(Chip LevEL)、封装层级(Package Level)、散热基板层级(Board Level)到系统层级(System Level),针对每一个环节进行优化的散热设计,以获得最佳的散热(图1)。

图1 LED散热策略

图2 高功率LED剖面图

从图2中,可以了解整个高功率LED组件温度定义,并利用公式1计算LED总热阻值。其中Rj-a为芯片与空气之间的热阻值(K/W),此部分的热阻由芯片和封装造成,属于磊晶厂及封装厂商负责范畴。Rsp-h为散热基板与散热鳍片之间的热阻值(K/W);Rh-a为散热鳍片与空气端的热阻值(K/W),Rsp-h及Rh-a为系统商所负责的区域,以下将针对各关键组件进行散热策略探讨。

藉尺寸/材料改善芯片散热

LED芯片发光同时亦会产生热能(光电转换效率约为25~35%),造成芯片温度(Tj)提高,然LED所产生的热能是透过下方的传热底座传导(Tsp),因此当LED点亮时,若无法快速与有效的将热量带走,将会造成亮度降低、寿命变短及波长飘移,甚至造成LED损坏,图3为科瑞(Cree)EZ1000的芯片示意图。

图3 Cree-EZ1000的芯片示意图

芯片的散热策略可大致归纳为增加芯片尺寸和改变材料结构两种,芯片的热阻计算为Rchip=Lchip/(Kchip×Achip),其中Lchip为热传路径的长度(蓝宝石基板厚度为100微米);Kchip为总热导系数(蓝宝石约为35~40W/mK);Achip为热传路径的截面积(40mil=1mm2)。根据上式,若将蓝宝石基板厚度由100微米缩短至80微米,芯片热阻可降低20%,但不能无限制的缩短造成晶圆片破片。另外,若将Kchip值提高至280W/mK(SiC),芯片热阻可降低87.5%。因此,透过改变材料结构是目前较有效降低芯片热阻的方式。

FR4散热基板成主流

一般对于常见LED的散热基板,大致可区分为传统印刷电路板环氧玻璃纤维板(FR4)、金属基印刷电路板(MCPCB)、陶瓷基板(AL2O3)及复合基板四种(表1)。 由于传统FR4的铜箔层散热能力有限,必须藉由较厚的金属层降低扩散热阻(Spreading Resistance)。另外再藉由介电层(Dielectrics)设计提高轴向上的热传速率,将热能迅速传导至散热鳍片。从价格和量产观点来看,印刷电路板优于其他基板,但其热传导系数低(热阻值高),不利于LED散热,针对此缺点可透过以下几种方式进行改善:

合并导热孔降低热阻值

在LED的传热底座及周边范围,加上导热孔,并在其周围镀上一层铜箔层(35微米),利用铜的高导热性,将传热底座的热能快速传递至下方的散热鳍片,以降低FR4散热基板热阻值达7K/W(图4)。

图4 FR4合并导热孔

合并导热孔/导热材料有助于缩减成本

利用类似第一种的制作程序,只是导热孔内加入高导热系数的材料,并在导热孔的上、下面与其周围镀上一层铜箔层(35微米),藉由孔内的导热材料与孔周围的铜箔层,将传热底座的热能快速传递至下方的散热鳍片,降低FR4散热基板热阻值至3K/W(图5)。散热基板实体图如图6所示。

图5 FR4合并导热孔及导热材料

图6 FR4散热基板实体图

led灯相关文章:led灯原理



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