LED背光照明与散热技术

当LED于60年代被使用后，过去因LED使用功率不高，只能拿来作为显示灯及讯号灯，封装散热问题并未产生，但近年来使用于背光照明的LED，其亮度、功率皆持续的被提升，因此散热逐渐成为LED照明产业的首要问题。

LED量产且被大量使用后，其发光亮度以突飞猛进的速度上升，由2001年的25 lm/W，2006年6月 日亚化学 工业宣布实验室可达134 lm/W，2007年2月Lumileds公司可达到115 lm/W，2008年7月欧司朗则研发可达到136 lm/W之LED，Cree实验室于2008年11月可达161 lm/W，进步至2009年初， 日亚化学 工业发表的发光效率已可达249 lm/W，而量产的LED于2010年将一举突破100 lm/W之水准。

图3 显示面板背光等效热阻

图1 Haitz定律

依据过去30年LED发展观察，Lumileds Lighting公司的Roland Haitz先生于2003年归纳出LED界的Moore(摩尔)定律—Haitz定律(如图1所示)，说明LED约每18~24个月可提升一倍的亮度，以此定理推估10年内LED亮度可以再提升20倍，而成本将可降90%以达到可完全取代现有照明技术，因此LED照明于近几年火热的被重视与探讨。

LED 背光照明

LED因耗电低、不含汞、寿命长、体积小、降低二氧化碳排放量等优势吸引国内、外厂商极力推广取代现有照明。 LED主要照明可分为显示背光、车用照明、交通号志与室内室外照明，而背光模组于2009年被广泛的应用于笔记型电脑面板上，此后亦逐渐被使用到家用电视机，其约占了50%之面板模组零组件制造成本与消耗约70%显示器之电能，故背光照明为显示面板最重要的关键。 然液晶显示器无法自行发光，因此需要背光模组作为光线的来源，所以背光源的好坏会影响显示的效果甚剧。 加上面板需薄型化的因素，因此多以CCFL灯管作为背光源，而LED背光源比起CCFL有演色性佳、寿命长、反应速度快等优势(如表1)。

再加上近年来由于全球提倡环保议题，各国政府的禁汞环保政策，如欧盟的WEEE与RoHS指令与中国的电子信息产品生产污染防治管理办法等陆续推行，也驱使小体积封装之LED成为替代CCFL的最佳无汞灯源。 又由于LED单位成本发光效率持续快速成长中，使得LED成本跌幅扩大，缩小了CCFL与LED的价差，也促使面板厂商开始大幅导入LED于背光模组。

LED的散热问题

目前提高LED亮度有两种方式，分别为增加晶片亮度以及多颗密集排列等方式，这些方法都需输入更高功率之能量，而输入LED的能量，大约20%会转换成光源，剩下80 %都转成热能，然在单颗封装内送入倍增的电流，发热自然也会倍增，因此在如此小的散热面积下，散热问题会逐渐恶化。 此封装如仅应用在只使用1~4颗LED的散光灯，散光灯点亮时间短暂，故热累积现象不明显；如应用在液晶电视的背光上，既使使用高亮度LED，也要密集排列并长时间点亮，因此在有限的散热空间内难以适时的将这些热排除于外。

但很不幸的，产生的热，对晶粒是很严重的问题。 当晶粒介面温度升高时，量子转换效率导致发光强度下降，且寿命也会跟着下降；放射波长改变，使得色彩稳定性降低；受热时因不同材质的膨胀系数不同，会有热应力累积使产品可靠性降低，使用年限也会降低。 因此，散热是高功率LED极需解决的重要问题。

基本热力学

传统光源白炽灯有73%以红外线辐射方式进行散热，在周围可以感受到高温高热，所以灯泡本体热累积现象轻微，而LED产生的光，大多分布在以可见光或紫外光居多，不能以辐射方式帮助散热，又因LED封装面积较小，难以将热量散出，导致LED照明品质有很大的问题产生，由此得知LED热能问题是目前急待被解决。

在讨论LED热管理的议题前，首先要先了解基本热力学。 基本上散热有3种方式(表2)，分别为“传导式散热”、“对流式散热”以及“辐射式散热”，从以上三者的理论公式可以分析出，散热最主要问题点就在“面积”；另外，由于因辐射在接近室温情况下散热量非常小，所以最主要讨论的散热方式在传导和对流两方面。

在了解散热之前还要知道热欧姆定理，传统的电流欧姆定理：V=IR，压降=电流×电阻，电阻愈大，压降就愈大，表示电压在元件中消耗量愈大；同样的，热欧姆定理：ΔT=QR，温差=热流×热阻，当热阻愈大时，就有愈多的热残留在元件内，这说明了散热效果要越好，热阻就要越低。 热欧姆定理是以热阻(Thermal resistance)将热传以物理量量化，计算方式为LED介面温度与室温的温差除以单位输入功率。 简单来说，如热阻为10℃/W，表示每输入1W的能量会是LED上升10℃。

LED的热管理

热传是以等向性的方式传递，传递方向可大致区分成垂直与水平方向。 垂直方向相当于将热阻串联，串联数愈多，热阻愈大。 水平传递等于是并联热阻，并联热阻数愈多热阻越低，表示增大传导面积和加强传热速率。 因此要有较佳的散热效果，所传导的层数要越少且截面积要越大。

图2为LED元件垂直热阻图，热源由介面产生再垂直向上下传递，因保护层封装采用低热传系数材料，加上面积又小，所以仅有极少量热能向上传递而被忽略计算，所以传递总热阻=介面到黏接点热阻＋黏接点到基板热阻＋基板到载板热阻＋载板到空气热阻，热会由介面迅速传递到大面积之载板或散热片，再经由水平传递到大面积的表面上与空气热交换对流完成散热。