圖解：LED背光照明與散熱技術(shù)

當led于60年代被使用后，過去因LED使用功率不高，只能拿來作為顯示燈及訊號燈，封裝散熱問題并未產(chǎn)生，但近年來使用于背光照明的LED，其亮度、功率皆持續(xù)的被提升，因此散熱逐漸成為LED照明產(chǎn)業(yè)的首要問題。

　　LED量產(chǎn)且被大量使用后，其發(fā)光亮度以突飛猛進的速度上升，由2001年的25lm/W，2006年6月日亞化學工業(yè)宣布實驗室可達134lm/W，2007年2月Lumileds公司可達到115lm/W，2008年7月歐司朗則研發(fā)可達到136lm/W之LED，Cree實驗室于2008年11月可達161lm/W，進步至2009年初，日亞化學工業(yè)發(fā)表的發(fā)光效率已可達249lm/W，而量產(chǎn)的LED于2010年將一舉突破100lm/W之水準。

　　依據(jù)過去30年LED發(fā)展觀察，LumiledsLighting公司的RolandHaitz先生于2003年歸納出LED界的Moore(摩爾)定律—Haitz定律(如圖1所示)，說明LED約每18~24個月可提升一倍的亮度，以此定理推估10年內(nèi)LED亮度可以再提升20倍，而成本將可降90%以達到可完全取代現(xiàn)有照明技術(shù)，因此LED照明于近幾年火熱的被重視與探討。

　　LED背光照明

　　LED因耗電低、不含汞、壽命長、體積小、降低二氧化碳排放量等優(yōu)勢吸引國內(nèi)、外廠商極力推廣取代現(xiàn)有照明。LED主要照明可分為顯示背光、車用照明、交通號志與室內(nèi)室外照明，而背光模組于2009年被廣泛的應(yīng)用于筆記型電腦面板上，此后亦逐漸被使用到家用電視機，其約占了50%之面板模組零組件制造成本與消耗約70%顯示器之電能，故背光照明為顯示面板最重要的關(guān)鍵。然液晶顯示器無法自行發(fā)光，因此需要背光模組作為光線的來源，所以背光源的好壞會影響顯示的效果甚劇。加上面板需薄型化的因素，因此多以CCFL燈管作為背光源，而LED背光源比起CCFL有演色性佳、壽命長、反應(yīng)速度快等優(yōu)勢(如表1)。

　　再加上近年來由于全球提倡環(huán)保議題，各國政府的禁汞環(huán)保政策，如歐盟的WEEE與RoHS指令與中國的電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理辦法等陸續(xù)推行，也驅(qū)使小體積封裝之LED成為替代CCFL的最佳無汞燈源。又由于LED單位成本發(fā)光效率持續(xù)快速成長中，使得LED成本跌幅擴大，縮小了CCFL與LED的價差，也促使面板廠商開始大幅導入LED于背光模組。

　　基于上述理論，將LED元件熱阻擴大運用至背光散熱模組中，因大面積面板薄型化的需求，在極小空間中使用高熱源密度元件，所以除了自然對流外，還需輔以風扇方式進行強制對流增加散熱。

　　LED所產(chǎn)生的熱，大多經(jīng)由基板傳遞到載板散熱片上，再以水平方式迅速傳遞至整個載板之上，此熱最后垂直傳導到大面積的筐體上，促成筐體表面的熱對流和放射，利用通風孔的熱空氣上升流動或風散強制對流造成熱移動將熱量帶走。另外，由等效熱阻圖(圖3)可觀察出，散熱基板為整個背光散熱模組的傳遞核心，此說明將散熱基板熱阻降低，對整體的散熱效益提升就越明顯。 　

　

　　LED散熱封裝

　　降低LED熱累積的方式有主要有以下三種，一為改善晶粒特性，在晶粒制作階段，增加發(fā)光效率降低發(fā)熱的能量配置，此外傳統(tǒng)式晶片皆以藍寶石(sapphire)作為基板，其藍寶石的熱傳導系數(shù)約只有20W/mK，不易將磊晶層所產(chǎn)生的熱快速地排出至外部，因此Cree公司以具高熱傳導系數(shù)的“矽”來取代藍寶石，進而提升散熱能力。

　　另外，改用越大尺寸的晶粒LED熱阻值就越小。二為固晶(DieBonding)方式，由打線(WireBonding)改為覆晶(Flip-Chip)，傳統(tǒng)LED封裝使用打線方式，但相對于金屬，藍寶石傳熱相當慢，所以熱源會從金屬線傳導，但散熱效果不佳。Lumileds公司將晶粒改以覆晶方式倒置于散熱基板上，欲排除藍寶石不要在熱傳導路徑上，并在幾何結(jié)構(gòu)上增加傳熱面積以降低熱阻。三為封裝基板采用氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹及氮化硼等高導熱以及與LED熱膨脹系數(shù)匹配的材料，進而降低整個散熱基板總熱阻方式。

　　以下將LED散熱封裝材料之比較列于表3，早期LED以炮彈型方式進行封裝，其散熱路徑中有一小部分熱源經(jīng)保護層往大氣方向散熱，大多熱源僅能透過金屬架往基板散熱，此封裝熱阻相當?shù)卮?，達250~350℃/W。進而由表面貼合方式(SMD)于PCB基板上封裝，主要是藉由與基板貼合一起的FR4載板來導熱，利用增加散熱面積的方式來大幅降低其熱阻值。但此低成本的封裝要面臨的問題是，F(xiàn)R4本身熱傳導系數(shù)較低，膨脹系數(shù)過高，且為不耐高溫的材料，在高功率的LED封裝材料上不太適用。

　　因此，再發(fā)展出內(nèi)具金屬核心的印刷電路板(MetalCorePCB;MCPCB)，是將原印刷電路板貼附在金屬板上，運用貼附的鋁或銅等熱傳導性較佳的金屬來加速散熱，此封裝技術(shù)可用于中階功率的LED封裝。MCPCB的鋁基板雖有良好的導熱系數(shù)，但還需使用絕緣層來分離線路，但絕緣材多有熱阻、熱膨脹系數(shù)過高的缺點，作為封裝高功率LED時較不適合。近期還有DBC(DirectBondCopper)與DPC(DirectPlatedCopper)技術(shù)被使用，DBC熱壓銅于陶瓷板技術(shù)雖有良好的散熱系數(shù)，但密合強度、熱應(yīng)力與線路解析度等問題仍有待解決。

　　在陶瓷材料上以DPC成型之基板，具有耐高電壓、耐高溫、與LED熱膨脹系數(shù)匹配等優(yōu)勢外，還可將熱阻下降到10℃/W以下，故此為現(xiàn)今最合適用在封裝高密度排列之HBLED散熱材料。

　　結(jié)論

　　隨著大尺寸薄型化LEDTV的市場需求逐年增加，其所需背光源的亮度也隨之增加，導致大量的高功率LED須于狹小電視筐體中緊密排列，使得高效率散熱基板的需求愈來愈大，因此由大毅科技堅強的技術(shù)團隊于2010年所研發(fā)出的以DPC基板技術(shù)大量生產(chǎn)的陶瓷散熱基板，將滿足日益擴大的LEDTV背光模組散熱需求。