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高功率LED散热基板发展趋势

2013/11/19 11:11:18 作者：UPS应用来源：UPS应用
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由于LED技术的进步，LED应用亦日渐多元化，由早期的电源指示灯，进展至具有省电、寿命长、可视度高等优点之LED照明产品。

　　由于LED技术的进步，LED应用亦日渐多元化，由早期的电源指示灯，进展至具有省电、寿命长、可视度高等优点之LED照明产品。然而由于高功率LED输入功率仅有15至20%转换成光，其余80至85%则转换成热，若这些热未适时排出至外界，那么将会使LED晶粒界面温度过高而影响发光效率及发光寿命。
　　
　　LED发展散热是关键
　　
　　随着LED材料及封装技术的不断演进，促使LED产品亮度不断提高，LED的应用越来越广，并为LED产业提供一个稳定成长的市场版图。以LED作为显示器的背光源，更是近来热门的话题，从小尺寸显示器背光源逐渐发展到中大尺寸LCDTV背光源，颇有逐步取代CCFL背光源的架势。主要是LED在色彩、亮度、寿命、耗电度及环保诉求等均比传统冷阴极管(CCFL)更具优势，因而吸引业者积极投入。
　　
　　早期单芯片LED的功率不高，发热量有限，热的问题不大，因此其封装方式相对简单。但近年随着LED材料技术的不断突破，LED的封装技术也随之改变，从早期单芯片的炮弹型封装逐渐发展成扁平化、大面积式的多芯片封装模块;其工作电流由早期20mA左右的低功率LED，进展到目前的1/3至1A左右的高功率LED，单颗LED的输入功率高达1W以上，甚至到3W、5W。
　　
　　封装方式更进化
　　
　　由于高亮度高功率LED系统所衍生的热问题将是影响产品功能优劣关键，要将LED组件的发热量迅速排出至周遭环境，首先必须从封装层级(L1&L2)的热管理着手;目前的作法是将LED晶粒以焊料或导热膏接着在一均热片上，经由均热片降低封装模块的热阻抗，这也是目前市面上最常见的LED封装模块，主要来源有Lumileds、OSRAM、Cree和Nicha等LED国际知名厂商。
　　
　　这些LED模块在实际应用可组装在一整排呈线光源，或作成数组排列或圆形排列，再接合在一片散热基板上作为面光源。但对于许多终端的应用产品，如迷你型投影机、车用及照明用灯源，在特定面积下所需的流明量需超过上千流明或上万流明，单靠单晶粒封装模块显然不足以应付，走向多芯片LED封装，及芯片直接黏着基板已是未来发展趋势。
　　
　　在LED实际产品应用上，不论用于显示器背光源、指示灯或一般照明，通常会视需要将多个LED组装在一电路基板上。电路基板一方面扮演着承载LED模块结构，另一方面，随着LED输出功率越来越高，基板还必须扮演散热的角色，以将LED芯片产生的热传递出去，在材料选择上，因此必须兼顾结构强度及散热需求。
　　
　　需顾虑材料成本
　　
　　传统LED功率不大，散热问题不严重，只要运用一般电子用的铜箔印刷电路板即足以应付，但随着高功率LED越来越盛行，此板已不足以应付散热需求，因此需再将印刷电路板贴附在一金属板上，即所谓的MetalCorePCB，以改善其传热路径。
　　
　　另外也有一种做法直接在铝基板表面直接作绝缘层或称介电层，再在介电层表面作电路层，如此LED模块即可直接将导线接合在电路层上。同时为避免因介电层的导热性不佳而增加热阻抗，有时会采取穿孔方式，以便让LED模块底端的均热片直接接触到金属基板，即所谓芯片直接黏着。
　　
　　除了金属基板外，为因应高功率LED封装及芯片直接粘着基板的发展，基板材料的选用除考虑散热性外，还必须考虑与芯片的热膨胀系数相匹配问题，以避免热应力引起的热变形及可靠度问题，因此目前国内外也在发展陶瓷基板及金属复合基板等。这些新开发的基板材料不但具有良好的散热性，同时热膨胀系数(介于4~8ppm/K)与LED芯片均相匹配，唯一的缺点是价格均比一般的金属基板贵。
　　
　　聚焦无风扇散热
　　
　　其实，LED的散热组件与CPU散热相似，都是由散热片、热管、风扇及热界面材料所组成的气冷模块为主，当然水冷也是热对策之一。
　　
　　以当前最热门的大尺寸LEDTV背光模块而言，40英寸及46英寸的LED背光源输入功率分别为470W及550W，以其中的80%转成热来看，所需的散热量约在360W及440W左右。如何将这些热量带走，有用水冷方式进行冷却，但有高单价及可靠度等疑虑;也有用热管配合散热片及风扇来进行冷却(如SONY46”LEDTV)，但风扇耗电及噪音等问题。因此，如何设计无风扇的散热方式便是决定未来谁能胜出的重要关键。
　　
　　

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