高功率LED散熱基板發(fā)展趨勢

　　由于LED技術(shù)的進(jìn)步，LED應(yīng)用亦日漸多元化，由早期的電源指示燈，進(jìn)展至具有省電、壽命長、可視度高等優(yōu)點之LED照明產(chǎn)品。然而由于高功率LED輸入功率僅有15至20%轉(zhuǎn)換成光，其余80至85%則轉(zhuǎn)換成熱，若這些熱未適時排出至外界，那么將會使LED晶粒界面溫度過高而影響發(fā)光效率及發(fā)光壽命。

　　LED發(fā)展散熱是關(guān)鍵

　　隨著LED材料及封裝技術(shù)的不斷演進(jìn)，促使LED產(chǎn)品亮度不斷提高，LED的應(yīng)用越來越廣，并為LED產(chǎn)業(yè)提供一個穩(wěn)定成長的市場版圖。以LED作為顯示器的背光源，更是近來熱門的話題，從小尺寸顯示器背光源逐漸發(fā)展到中大尺寸LCDTV背光源，頗有逐步取代CCFL背光源的架勢。主要是LED在色彩、亮度、壽命、耗電度及環(huán)保訴求等均比傳統(tǒng)冷陰極管(CCFL)更具優(yōu)勢，因而吸引業(yè)者積極投入。

　　早期單芯片LED的功率不高，發(fā)熱量有限，熱的問題不大，因此其封裝方式相對簡單。但近年隨著LED材料技術(shù)的不斷突破，LED的封裝技術(shù)也隨之改變，從早期單芯片的炮彈型封裝逐漸發(fā)展成扁平化、大面積式的多芯片封裝模塊;其工作電流由早期20mA左右的低功率LED，進(jìn)展到目前的1/3至1A左右的高功率LED，單顆LED的輸入功率高達(dá)1W以上，甚至到3W、5W。

　　封裝方式更進(jìn)化

　　由于高亮度高功率LED系統(tǒng)所衍生的熱問題將是影響產(chǎn)品功能優(yōu)劣關(guān)鍵，要將LED組件的發(fā)熱量迅速排出至周遭環(huán)境，首先必須從封裝層級(L1&L2)的熱管理著手;目前的作法是將LED晶粒以焊料或?qū)岣嘟又谝痪鶡崞?，?jīng)由均熱片降低封裝模塊的熱阻抗，這也是目前市面上最常見的LED封裝模塊，主要來源有Lumileds、OSRAM、Cree和Nicha等LED國際知名廠商。

　　這些LED模塊在實際應(yīng)用可組裝在一整排呈線光源，或作成數(shù)組排列或圓形排列，再接合在一片散熱基板上作為面光源。但對于許多終端的應(yīng)用產(chǎn)品，如迷你型投影機(jī)、車用及照明用燈源，在特定面積下所需的流明量需超過上千流明或上萬流明，單靠單晶粒封裝模塊顯然不足以應(yīng)付，走向多芯片LED封裝，及芯片直接黏著基板已是未來發(fā)展趨勢。

　　在LED實際產(chǎn)品應(yīng)用上，不論用于顯示器背光源、指示燈或一般照明，通常會視需要將多個LED組裝在一電路基板上。電路基板一方面扮演著承載LED模塊結(jié)構(gòu)，另一方面，隨著LED輸出功率越來越高，基板還必須扮演散熱的角色，以將LED芯片產(chǎn)生的熱傳遞出去，在材料選擇上，因此必須兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及散熱需求。

　　需顧慮材料成本

　　傳統(tǒng)LED功率不大，散熱問題不嚴(yán)重，只要運用一般電子用的銅箔印刷電路板即足以應(yīng)付，但隨著高功率LED越來越盛行，此板已不足以應(yīng)付散熱需求，因此需再將印刷電路板貼附在一金屬板上，即所謂的MetalCorePCB，以改善其傳熱路徑。

　　另外也有一種做法直接在鋁基板表面直接作絕緣層或稱介電層，再在介電層表面作電路層，如此LED模塊即可直接將導(dǎo)線接合在電路層上。同時為避免因介電層的導(dǎo)熱性不佳而增加熱阻抗，有時會采取穿孔方式，以便讓LED模塊底端的均熱片直接接觸到金屬基板，即所謂芯片直接黏著。

　　除了金屬基板外，為因應(yīng)高功率LED封裝及芯片直接粘著基板的發(fā)展，基板材料的選用除考慮散熱性外，還必須考慮與芯片的熱膨脹系數(shù)相匹配問題，以避免熱應(yīng)力引起的熱變形及可靠度問題，因此目前國內(nèi)外也在發(fā)展陶瓷基板及金屬復(fù)合基板等。這些新開發(fā)的基板材料不但具有良好的散熱性，同時熱膨脹系數(shù)(介于4~8ppm/K)與LED芯片均相匹配，唯一的缺點是價格均比一般的金屬基板貴。

　　聚焦無風(fēng)扇散熱

　　其實，LED的散熱組件與CPU散熱相似，都是由散熱片、熱管、風(fēng)扇及熱界面材料所組成的氣冷模塊為主，當(dāng)然水冷也是熱對策之一。

　　以當(dāng)前最熱門的大尺寸LEDTV背光模塊而言，40英寸及46英寸的LED背光源輸入功率分別為470W及550W，以其中的80%轉(zhuǎn)成熱來看，所需的散熱量約在360W及440W左右。如何將這些熱量帶走，有用水冷方式進(jìn)行冷卻，但有高單價及可靠度等疑慮;也有用熱管配合散熱片及風(fēng)扇來進(jìn)行冷卻(如SONY46”LEDTV)，但風(fēng)扇耗電及噪音等問題。因此，如何設(shè)計無風(fēng)扇的散熱方式便是決定未來誰能勝出的重要關(guān)鍵。