LED模組設(shè)計的熱阻抗現(xiàn)況

繁華的城市離不開LED燈的裝飾，相信大家都見過LED，它的身影已經(jīng)出現(xiàn)在了我們的生活的各個地方，也照亮著我們的生活。除了關(guān)鍵元件LED易受溫度影響外，光源設(shè)計多半也採取模組化概念開發(fā)，甚至為了取代傳統(tǒng)光源，讓發(fā)光元件與電子電路只能在極小空間內(nèi)進行整合。

因為 LED為DC直流驅(qū)動元件，多數(shù)燈具的連接電源為AC交流電源為主，為簡化LED光源的施作復(fù)雜度，目前的主流做法是直接將電源整流、變壓模組與LED發(fā)光元件進行整合，但問題來了，因為可用的電路空間相對小很多，在裝置內(nèi)的對流空間相對變小的情況下，自然也無法得到較佳的散熱效果，也只能透過主動式強制散熱的相關(guān)對策，進行模組的散熱處理。

若由熱阻抗模組觀察所製作的熱流模型，進行LED晶粒預(yù)測接合點的溫度，接合點意指半導(dǎo)體的p- n接合處，定義熱阻抗R為溫度差異與對應(yīng)之功率消散比值，而熱阻抗的形成因素相當(dāng)多，但透過熱流模型的檢視方式，可以更清楚確認，熱的散逸處理方面，是因為哪些關(guān)鍵問題而降低其效率，可以從元件、組裝方式、基板材質(zhì)、結(jié)構(gòu)去進行散熱改善工程。一般LED固態(tài)光源的熱流模型，可以從幾個關(guān)鍵處來檢視。

例如，LED發(fā)光元件可以拆解為LED晶粒、晶粒與接腳的打線、封裝的塑料，再將觀察擴及LED光源模組，即會有LED元件、接合的金屬接腳、 MetalCorePCB(MCPCB)電路板、最后為散熱的鋁擠型散熱片等構(gòu)成，而熱流模型可以觀察有幾個串聯(lián)的熱流阻抗，例如結(jié)合點、乘載晶粒的金屬片、電路板與環(huán)境等，再檢視串聯(lián)阻抗的熱迴路，試圖去發(fā)現(xiàn)散熱效率低下的問題癥結(jié)點。

再從模型去深入觀察，可以發(fā)現(xiàn)，從晶粒的接合點到整個外部環(huán)境的散熱過程，其實是由幾個散熱途徑去加總而成，例如，晶粒與乘載金屬片的材料特性、封裝LED晶粒材料的光學(xué)樹脂接觸與電路板材料熱阻特性、 LED元件的表面接觸或是介于散熱用之鋁擠型散熱鰭片黏膠，乃至降溫裝置與空氣間的組合等，構(gòu)成整個熱流的散熱過程。LED固態(tài)光源的運作溫度如何有效散逸，會影響整個光源應(yīng)用的照明效能、能源利用效能、裝置壽命等重要關(guān)鍵，而改善散熱的方式可自晶片層級的技術(shù)、封裝LED晶粒的技術(shù)、電路板層級的技術(shù)去進行改善。

在晶片層級的散熱處理手段方面，由于傳統(tǒng)的晶片製法，多以藍寶石作為基板進行設(shè)計，而藍寶石基板的熱傳導(dǎo)係數(shù)接近20W/mK，其實很難將LED磊晶產(chǎn)生的熱快速散出，目前主流的作法，在針對LED晶片級的散熱強化處理，尤其是針對高功率、高亮度的LED元件方面，為使用覆晶(Flip-Chip)的形式，有效利用覆晶將磊晶的熱傳導(dǎo)出來。

另也有一種方式，是採行「垂直」電極的方式去製作LED元件，由于LED元件上下兩端都設(shè)有金屬電極，此可在散熱的問題上得到更大的助益。例如，採用 GaN基板作為材料，由于GaN基板即為導(dǎo)電材質(zhì)，因此電極可以直接做在基板下方進行連接，即可得到快速散逸磊晶溫度的效益，但這種作法因為材料成本較高，也會比傳統(tǒng)藍寶石基板作法的成本貴上許多，會增加元件的製作成本。

至于封裝層級的散熱強化作法則相當(dāng)多，此處列舉幾個常見的作法。一般而言，LED製作過程，會利用光學(xué)等級的環(huán)氧樹脂來包住整個LED，藉此來使得LED元件能在機械強度方面的表現(xiàn)更佳，甚至也可保護元件內(nèi)的相關(guān)線路，但環(huán)氧樹脂的作法雖可提升元件強度，卻同時限制了元件的溫度操作範圍，因為光學(xué)級的環(huán)氧樹脂于高溫下使用時，會因為高溫或是強光，讓環(huán)氧樹脂的光學(xué)特性劣化，甚至材質(zhì)本身也會造成劣化。

目前常見的封裝改善方式，僅有在多數(shù)中/低功率的LED元件才使用傳統(tǒng)的砲彈式封裝技術(shù)，在高亮度、高功率的LED元件方面，多數(shù)改用LumiledsLuxeon系列封裝法，將散熱路徑集中于下方的金屬，內(nèi)部的封裝改用光學(xué)特性和耐高溫、耐強光表現(xiàn)較優(yōu)異的硅樹脂去進行封裝，此封裝法可獲得較佳的機械強度表現(xiàn)，同時其內(nèi)部對高溫、紫外線照射、高強度藍光LED有更強大的耐受能力。

在電路板層級的散熱改善方面，比較一般的作法即採FR4(PCB)製作，熱傳導(dǎo)性能中上表現(xiàn)的會採取金屬基PCB，如MCPCB、IntegratedMetalSubstrate(IMS)處理，進階高效能熱傳導(dǎo)能力的會採取陶瓷基板(Ceramic)去製作。

一般FR4(PCB)具備低成本優(yōu)勢，但導(dǎo)熱效能相對較差，多用于低功率的LED裝載方面。金屬基PCB(MCPCB、IMS)由于操作溫度高，例如 MCPCB結(jié)構(gòu)由銅箔層、絕緣(介電)層、鋁基板構(gòu)成，一般銅箔層(電路)為1.0~4.0盎司、絕緣(介電)層為7.5um~150um、鋁基板(金屬核心)層厚度在1mm~3.2mm左右厚度，可用在攝氏140度環(huán)境下，但製作成本為中高價位。陶瓷基板(Ceramic)的單價與成本更高，因為陶瓷的熱膨脹係數(shù)表現(xiàn)佳，可讓乘載的晶片更為匹配，但無法用在大面積的電路，對于LED光源應(yīng)用方面，多數(shù)僅用于承載LED元件的區(qū)塊電路使用，來提升熱傳導(dǎo)效率。

除前述常見乘載的電路板外，其實還有多款相對具較佳熱傳導(dǎo)技術(shù)的基板技術(shù)，例如陶瓷基板(氧化鋁)、鋁鎂合金、軟式印刷電路板、直接鋼接合基板(DBC)、金屬基復(fù)合材料基板等技術(shù)，但部分技術(shù)仍有製程、裝載或是成本方面的考量，必須視最終成品的實際熱流模型限制與改善幅度是否值得更換載板而定。以上就是LED技術(shù)的相關(guān)知識，相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來的LED燈回越來越高效，使用壽命也會由很大的提升，為我們帶來更大便利。