大功率LED散熱分析
長(zhǎng)久以來(lái),顯示應(yīng)用一直是LED的主要訴求,對(duì)于LED的散熱性要求不甚高的情況下,LED多利用傳統(tǒng)樹(shù)脂基板進(jìn)行封裝。2000年以后,隨LED高輝度化與高效率化技術(shù)發(fā)展,再加上藍(lán)光LED發(fā)光效率大幅改善 ..
一般來(lái)說(shuō),樹(shù)脂基板的散熱,只能夠支持0.5W以下的LED,超過(guò)0.5W以上的LED,多改用金屬或陶瓷高散熱基板進(jìn)行封裝,主要原因是,基板的散熱性直接影響LED壽命與性能,因此封裝基板成為設(shè)計(jì)高輝度LED商品的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。
高功率加速金屬基板取代樹(shù)脂材料 關(guān)于LED封裝基板散熱設(shè)計(jì),目前大致可以分成,LED芯片至封裝體的熱傳導(dǎo)、及封裝體至外部的熱傳達(dá)兩大部分。使用高熱傳導(dǎo)材時(shí),封裝內(nèi)部的溫差會(huì)變小,此時(shí)熱流不會(huì)呈局部性集中,LED芯片整體產(chǎn)生的熱流,呈放射狀流至封裝內(nèi)部各角落,所以利用高熱傳導(dǎo)材料,可提高內(nèi)部的熱擴(kuò)散性。 就熱傳導(dǎo)的改善來(lái)說(shuō),幾乎是完全仰賴(lài)材料提升來(lái)解決問(wèn)題。多數(shù)人均認(rèn)為,隨LED芯片大型化、大電流化、高功率化發(fā)展,會(huì)加速金屬封裝取代傳統(tǒng)樹(shù)脂封裝方式。 就目前金屬高散熱基板材料而言,可分成硬質(zhì)與可撓曲兩種基板,結(jié)構(gòu)上,硬質(zhì)基板屬于傳統(tǒng)金屬材料,金屬LED封裝基板采鋁與銅等材料,絕緣層部分,大多采充填高熱傳導(dǎo)性無(wú)機(jī)填充物,擁有高熱傳導(dǎo)性、加工性、電磁波遮蔽性、耐熱沖擊性等金屬特性,厚度方面通常大于1mm,大多都廣泛應(yīng)用在LED燈具模塊,與照明模塊等,技術(shù)上是與鋁質(zhì)基板具相同高熱傳導(dǎo)能力,在高散熱要求下,相當(dāng)有能力擔(dān)任高功率LED封裝材料。 各封裝基板業(yè)者正積極開(kāi)發(fā)可撓曲基板 可撓曲基板的出現(xiàn),原期望應(yīng)用在汽車(chē)導(dǎo)航的LCD背光模塊薄形化需求而開(kāi)發(fā),以及高功率LED可以完成立體封裝要求下產(chǎn)生,基本上可撓曲基板以鋁為材料,是利應(yīng)用鋁的高熱傳導(dǎo)性與輕量化特性,制成高密度封裝基板,透過(guò)鋁質(zhì)基板薄板化后,達(dá)可撓曲特性,并且也能夠具高熱傳導(dǎo)特性 一般而言,金屬封裝基板熱傳導(dǎo)率大約是2W/m‧K,但由于高效率LED的熱效應(yīng)更高,所以為了滿(mǎn)足達(dá)到4~6W/m‧K熱傳導(dǎo)率的需要,目前已有熱傳導(dǎo)率超過(guò)8W/m‧K的金屬封裝基板。由于硬質(zhì)金屬封裝基板主要目的是,能夠滿(mǎn)足高功率LED的封裝,因此各封裝基板業(yè)者正積極開(kāi)發(fā)可以提高熱傳導(dǎo)率的技術(shù)。雖然利用鋁板質(zhì)補(bǔ)強(qiáng)板可以提高散熱性,不過(guò)卻有成本與組裝的限制,無(wú)法根本解決問(wèn)題。 不過(guò),金屬封裝基板的缺點(diǎn)是,金屬熱膨脹系數(shù)很大,當(dāng)與低熱膨脹系數(shù)陶瓷芯片焊接時(shí),容易受熱循環(huán)沖擊,所以當(dāng)使用氮化鋁封裝時(shí),金屬封裝基板可能會(huì)發(fā)生不協(xié)調(diào)現(xiàn)象,因此必需克服LED中,各種不同熱膨脹系數(shù)材料,所造成的熱應(yīng)力差異,提高封裝基板的可靠性。 高熱傳導(dǎo)撓曲基板,是在絕緣層黏貼金屬箔,雖然基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)撓曲基板完全相同,不過(guò)在絕緣層方面,是采用軟質(zhì)環(huán)氧樹(shù)脂充填高熱傳導(dǎo)性無(wú)機(jī)填充物,因此具有8W/m‧K的高熱傳導(dǎo)性,同時(shí)還兼具柔軟可撓曲、高熱傳導(dǎo)特性與高可靠性,此外可撓曲基板還可以依照客戶(hù)需求,可將單面單層板設(shè)計(jì)成單面雙層、雙面雙層結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,使用高熱傳導(dǎo)撓曲基板時(shí),LED的溫度大約降低攝氏100度,這代表著溫度造成LED使用壽命降低的問(wèn)題,將可因變更基板設(shè)計(jì)而大幅改善。 事實(shí)上,除高功率LED外,高熱傳導(dǎo)撓曲基板,還可應(yīng)用在其它高功率半導(dǎo)體組件上,適用于空間有限、或是高密度封裝等環(huán)境。不過(guò),僅僅依賴(lài)封裝基板,往往無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求,因此基板外圍材料的配合也變得益形重要,例如配合3W/m‧K的熱傳導(dǎo)性膜片,就能夠有效再提高其散熱性。 |
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