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高亮度LED原理技術(shù)探析

發(fā)布時間:2011-01-04

中心議題:
  • 高亮度LED原理技術(shù)
解決方案:
  • 從傳統(tǒng)FR4PCB到金屬核心的MCPCB
  • IMS強(qiáng)化MCPCB在絕緣層上的熱傳導(dǎo)
過去LED只能拿來做為狀態(tài)指示燈的時代,其封裝散熱從來就不是問題,但近年來LED的亮度、功率皆積極提升,并開始用于背光與電子照明等應(yīng)用后,LED的封裝散熱問題已悄然浮現(xiàn)。

過去LED只能拿來做為狀態(tài)指示燈的時代,其封裝散熱從來就不是問題,但近年來LED的亮度、功率皆積極提升,并開始用于背光與電子照明等應(yīng)用后,LED的封裝散熱問題已悄然浮現(xiàn)。

上述的講法聽來有些讓人疑惑,今日不是一直強(qiáng)調(diào)LED的亮度突破嗎?2003年LumiledsLighting公司RolandHaitz先生依據(jù)過去的觀察所理出的一個經(jīng)驗性技術(shù)推論定律,從1965年第一個商業(yè)化的LED開始算,在這30多年的發(fā)展中,LED約每18個月;24個月可提升一倍的亮度,而在往后的10年內(nèi),預(yù)計亮度可以再提升20倍,而成本將降至現(xiàn)有的1/10,此也是近年來開始盛行的Haitz定律,且被認(rèn)為是LED界的Moore(摩爾)定律。

依據(jù)Haitz定律的推論,亮度達(dá)100lm/W(每瓦發(fā)出100流明)的LED約在2008年;2010年間出現(xiàn),不過實際的發(fā)展似乎已比定律更超前,2006年6月日亞化學(xué)工業(yè)(Nichia)已經(jīng)開始提供可達(dá)100lm/W白光LED的工程樣品,預(yù)計年底可正式投入量產(chǎn)。

Haitz定律可說是LED領(lǐng)域界的Moore定律,根據(jù)RolandHaitz的表示,過去30多年來LED幾乎每18;24個月就能提升一倍的發(fā)光效率,也因此推估未來的10年(2003年;2013年)將會再成長20倍的亮度,但價格將只有現(xiàn)在的1/10。

不僅亮度不斷提升,LED的散熱技術(shù)也一直在提升,1992年一顆LED的熱阻抗(ThermalResistance)為360℃/W,之后降至125℃/W、75℃/W、15℃/W,而今已是到了每顆6℃/W∼10℃/W的地步,更簡單說,以往LED每消耗1瓦的電能,溫度就會增加360℃,現(xiàn)在則是相同消耗1瓦電能,溫度卻只上升6℃;10℃。

少顆數(shù)高亮度、多顆且密集排布是增熱元兇

既然亮度效率提升、散熱效率提升,那不是更加矛盾?應(yīng)當(dāng)更加沒有散熱問題不是?其實,應(yīng)當(dāng)更嚴(yán)格地說,散熱問題的加劇,不在高亮度,而是在高功率;不在傳統(tǒng)封裝,而在新封裝、新應(yīng)用上。

首先,過往只用來當(dāng)指示燈的LED,每單一顆的點亮(順向?qū)ǎ╇娏鞫嘣?mA;30mA間,典型而言則為20mA,而現(xiàn)在的高功率型LED(注1),則是每單一顆就會有330mA;1A的電流送入,「每顆用電」增加了十倍、甚至數(shù)十倍(注2)。

注1:現(xiàn)有高功率型LED的作法,除了將單一發(fā)光裸晶的面積增大外,也有實行將多顆裸晶一同封裝的作法。事實上有的白光LED即是在同一封裝內(nèi)放入紅、綠、藍(lán)3個原色的裸晶來混出白光。

注2:雖然各種LED的點亮(順向?qū)ǎ╇妷河挟?,但在此暫且忽略此一差異?br />
在相同的單顆封裝內(nèi)送入倍增的電流,發(fā)熱自然也會倍增,如此散熱情況當(dāng)然會惡化,但很不幸的,由于要將白光LED拿來做照相手機(jī)的閃光燈、要拿來做小型照明用燈泡、要拿來做投影機(jī)內(nèi)的照明燈泡,如此只是高亮度是不夠的,還要用上高功率,這時散熱就成了問題。

上述的LED應(yīng)用方式,僅是使用少數(shù)幾顆高功率LED,閃光燈約1;4顆,照明燈泡約1;8顆,投影機(jī)內(nèi)10多顆,不過閃光燈使用機(jī)會少,點亮?xí)r間不長,單顆的照明燈泡則有較寬裕的周遭散熱空間,而投影機(jī)內(nèi)雖無寬裕散熱空間但卻可裝置散熱風(fēng)扇。

圖中為InGaN與AlInGaP兩種LED用的半導(dǎo)體材料,在各尖峰波長(光色)下的外部量子化效率圖,雖然最理想下可逼近40%,但若再將光取效率列入考慮,實際上都在15%;25%間,何況兩種材料在更高效率的部分都不在人眼感受性的范疇內(nèi),范疇之下的僅有20%。
 
可是,現(xiàn)在還有許多應(yīng)用是需要高亮度,但又需要將高亮度LED密集排列使用的,例如交通號志燈、訊息廣告牌的走馬燈、用LED組湊成的電視墻等,密集排列的結(jié)果便是不易散熱,這是應(yīng)用所造成的散熱問題。

更有甚者,在液晶電視的背光上,既是使用高亮度LED,也要密集排列,且為了講究短小輕薄,使背部可用的散熱設(shè)計空間更加拘限,且若高標(biāo)要求來看也不應(yīng)使用散熱風(fēng)扇,因為風(fēng)扇的吵雜聲會影響電視觀賞的品味情緒。

散熱問題不解決有哪些副作用?

好!倘若不解決散熱問題,而讓LED的熱無法排解,進(jìn)而使LED的工作溫度上升,如此會有什么影響嗎?關(guān)于此最主要的影響有二:(1)發(fā)光亮度減弱、(2)使用壽命衰減。

舉例而言,當(dāng)LED的p-n接面溫度(JunctionTemperature)為25℃(典型工作溫度)時亮度為100,而溫度升高至75℃時亮度就減至80,到125℃剩60,到175℃時只剩40。很明顯的,接面溫度與發(fā)光亮度是呈反比線性的關(guān)系,溫度愈升高,LED亮度就愈轉(zhuǎn)暗。

溫度對亮度的影響是線性,但對壽命的影響就呈指數(shù)性,同樣以接面溫度為準(zhǔn),若一直保持在50℃以下使用則LED有近20,000小時的壽命,75℃則只剩10,000小時,100℃剩5,000小時,125℃剩2,000小時,150℃剩1,000小時。溫度光從50℃變成2倍的100℃,使用壽命就從20,000小時縮成1/4倍的5,000小時,傷害極大。
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裸晶層:光熱一體兩面的發(fā)散源頭:p-n接面

關(guān)于LED的散熱我們同樣從最核心處逐層向外討論,一起頭也是在p-n接面部分,解決方案一樣是將電能盡可能轉(zhuǎn)化成光能,而少轉(zhuǎn)化成熱能,也就是光能提升,熱能就降低,以此來降低發(fā)熱。

如果更進(jìn)一步討論,電光轉(zhuǎn)換效率即是內(nèi)部量子化效率(InternalQuantumEfficiency;IQE),今日一般而言都已有70%∼90%的水平,真正的癥結(jié)在于外部量子化效率(ExternalQuantumEfficiency;EQE)的低落。

以LumiledsLighting公司的Luxeon系列LED為例,Tj接面溫度為25℃,順向驅(qū)動電流為350mA,如此以InGaN而言,隨著波長(光色)的不同,其效率約在5%∼27%之間,波長愈高效率愈低(草綠色僅5%,藍(lán)色則可至27%),而AlInGaP方面也是隨波長而有變化,但卻是波長愈高效率愈高,效率大體從8%∼40%(淡黃色為低,橘紅最高)。

從Lumileds公司Luxeon系列LED的橫切面可以得知,硅封膠固定住LED裸晶與裸晶上的熒光質(zhì)(若有用上熒光質(zhì)的話),然后封膠之上才有透鏡,而裸晶下方用焊接(或?qū)岣啵┡c硅子鑲嵌芯片(SiliconSub-mountChip)連接,此芯片也可強(qiáng)化ESD靜電防護(hù)性,往下再連接散熱塊,部分LED也直接裸晶底部與散熱塊相連。

Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶實行覆晶鑲嵌法,因此其藍(lán)寶石基板變成在上端,同時還加入一層銀質(zhì)作為光反射層,進(jìn)而增加光取出量,此外也在SiliconSubmount內(nèi)制出兩個基納二極管(ZenerDiode),使LED獲得穩(wěn)壓效果,使運作表現(xiàn)更穩(wěn)定。

由于增加光取出率(ExtractionEfficiency,也稱:汲光效率、光取效率)也就等于減少熱發(fā)散率,等于是一個課題的兩面,而關(guān)于光取出率的提升請見另一篇專文:高亮度LED之「封裝光通」原理技術(shù)探析。在此不再討論。

裸晶層:基板材料、覆晶式鑲嵌

如何在裸晶層面增加散熱性,改變材質(zhì)與幾何結(jié)構(gòu)再次成為必要的手段,關(guān)于此目前最常用的兩種方式是:1.換替基板(Substrate,也稱:底板、襯底,有些地方也稱為:Carrier)的材料。2.經(jīng)裸晶改采覆晶(Flip-Chip,也稱:倒晶)方式鑲嵌(mount)。

先說明基板部分,基板的材料并不是說換就能換,必須能與裸晶材料相匹配才行,現(xiàn)有AlGaInP常用的基板材料為GaAs、Si,InGaN則為SiC、Sapphire(并使用AlN做為緩沖層)。

為了強(qiáng)化LED的散熱,過去的FR4印刷電路板已不敷應(yīng)付,因此提出了內(nèi)具金屬核心的印刷電路板,稱為MCPCB,運用更底部的鋁或銅等熱傳導(dǎo)性較佳的金屬來加速散熱,不過也因絕緣層的特性使其熱傳導(dǎo)受到若干限制。(制圖:郭長佑)

對光而言,基板不是要夠透明使其不會阻礙光,就是在發(fā)光層與基板之間再加入一個反光性的材料層,以此避免「光能」被基板所阻礙、吸收,形成浪費,例如GaAs基板即是不透光,因此再加入一個DBR(DistributedBraggReflector)反射層來進(jìn)行反光。而Sapphire基板則是可直接反光,或透明的GaP基板可以透光。

除此之外,基板材料也必須具備良好的熱傳導(dǎo)性,負(fù)責(zé)將裸晶所釋放出的熱,迅速導(dǎo)到更下層的散熱塊(HeatSlug)上,不過基板與散熱塊間也必須使用熱傳導(dǎo)良好的介接物,如焊料或?qū)岣唷M瑫r裸晶上方的環(huán)氧樹脂或硅樹脂(即是指:封膠層)等也必須有一定的耐熱能力,好因應(yīng)從p-n接面開始,傳導(dǎo)到裸晶表面的溫度。

除了強(qiáng)化基板外,另一種作法是覆晶式鑲嵌,將過去位于上方的裸晶電極轉(zhuǎn)至下方,電極直接與更底部的線箔連通,如此熱也能更快傳導(dǎo)至下方,此種散熱法不僅用在LED上,現(xiàn)今高熱的CPU、GPU也早就實行此道來加速散熱。

從傳統(tǒng)FR4PCB到金屬核心的MCPCB

將熱導(dǎo)到更下層后,就過去而言是直接運用銅箔印刷電路板(PrintedCircuitBoard;PCB)來散熱,也就是最常見的FR4印刷電路基板,然而隨著LED的發(fā)熱愈來愈高,F(xiàn)R4印刷電路基板已逐漸難以消受,理由是其熱傳導(dǎo)率不夠(僅0.36W/m.K)。

為了改善電路板層面的散熱,因此提出了所謂的金屬核心的印刷電路板(MetalCorePCB;MCPCB),即是將原有的印刷電路板附貼在另外一種熱傳導(dǎo)效果更好的金屬上(如:鋁、銅),以此來強(qiáng)化散熱效果,而這片金屬位在印刷電路板內(nèi),所以才稱為「MetalCore」,MCPCB的熱傳導(dǎo)效率就高于傳統(tǒng)FR4PCB,達(dá)1W/m.K∼2.2W/m.K。

不過,MCPCB也有些限制,在電路系統(tǒng)運作時不能超過140℃,這個主要是來自介電層(DielectricLayer,也稱InsulatedLayer,絕緣層)的特性限制,此外在制造過程中也不得超過250℃;300℃,這在過錫爐時前必須事先了解。

附注:雖然鋁、銅都是合適的熱導(dǎo)熱金屬,不過礙于成本多半是選擇鋁材質(zhì)。

IMS強(qiáng)化MCPCB在絕緣層上的熱傳導(dǎo)

MCPCB雖然比FR4PCB散熱效果佳,但MCPCB的介電層卻沒有太好的熱傳導(dǎo)率,大體與FR4PCB相同,僅0.3W/m.K,成為散熱塊與金屬核心板間的傳導(dǎo)瓶頸。

為了改善此一情形,有業(yè)者提出了IMS(InsulatedMetalSubstrate,絕緣金屬基板)的改善法,將高分子絕緣層及銅箔電路以環(huán)氧方式直接與鋁、銅板接合,然后再將LED配置在絕緣基板上,此絕緣基板的熱傳導(dǎo)率就比較高,達(dá)1.1;2W/m.K,比之前高出3;7倍的傳導(dǎo)效率。

更進(jìn)一步的,若絕緣層依舊被認(rèn)為是導(dǎo)熱性不佳,也有直接讓LED底部的散熱塊,透過在印刷電路板上的穿孔(ThroughHole)作法,使其直接與核心金屬接觸,以此加速散熱。此作法很耐人尋味,因為過去的印刷電路板不是為插件組件焊接而鑿,就是為線路繞徑而鑿,如今卻是為散熱設(shè)計而鑿。

除了MCPCB、MCPCB+I(xiàn)MS法之外,也有人提出用陶瓷基板(CeramicSubstrate),或者是所謂的直接銅接合基板(DirectCopperBondedSubstrate,簡稱:DBC),或是金屬復(fù)合材料基板。無論是陶瓷基板或直接銅接合基板都有24∼170W/m.K的高傳導(dǎo)率,其中直接銅接合基板更允許制程溫度、運作溫度達(dá)800℃以上,不過這些技術(shù)都有待更進(jìn)一步的成熟觀察。

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