LED背光照明与散热技术

1、LED背光照明与散热技术.当于60年代被使用后，过去因LED使用不高，只能拿来作为灯及讯号灯，封装散热 问题并未产生，但近年来使用于背光照明的LED，其、功率皆持续的被提升，因此散热逐渐成为产业的首要问题。LED量产且被大量使用后，其发光亮度以突飞猛进的速度上升， 由2001年的25lm/W，2006年6月 化学 工业宣布实验室可达 134 lm/W，2007年2月Lumileds公 司可达到115 lm/W，2008年7月则研发可达到136 lm/W 之LED，实验室于2008 年11月可达161 lm/W，进步至2009年初，日亚化学 工业发表的发率已可达 249 lm/W，而量产的LED

2、于2010年将一举突破100 lm/W 之水准。图1 Haitz定律依据过去30年LED发展观察，Lumileds Lighting 公司的Roland Haitz先生于2003年归纳出LED界的Moore（摩尔）定律一Haitz定律（如图1所示），说明LED约每1824个月可提升一倍的亮度，以此定理推估 10年内LED亮度可以再提升20倍， 而成本将可降90%以达到可完全取代现有照明技术，因此 LED照明于近几年火热的 被重视与探讨。LED背光照明因耗电低、不含汞、寿命长、体积小、降低二氧化碳排放量等优势吸引国内、外厂商极力推广取代现有照明。主要照明可分为显示背光、车用照明、交通号志与室内室

3、外照明，而背光模组于2009年被广泛的应用于笔记型电脑上，此后亦逐渐被使 用到家用电视机，其约占了 50%之面板模组零组件制造成本与消耗约 70%显示器之， 故背光照明为显示面板最重要的关键。然显示器无法自行发光，因此需要背光模组作为光线的来源，所以背光源的好坏会影响显示的效果甚剧。加上面板需薄型化的因素，因此多以灯管作为背光源，而背光源比起 CCFL有佳、寿命长、反应速度快等 优势（如表1）。再加上近年来由于全球提倡环保议题，各国政府的禁汞环保政策，如欧盟的WEEE与RoHS指令与中国的电子信息产品生产污染防治管理办法等陆续推行，也驱使小体积封装之LED成为替代CCFL的最佳无汞灯源。又由于

4、LED单位成本发光 效率持续快速成长中，使得LED成本跌幅扩大，缩小了 CCFL与LED的价差，也促 使面板厂商开始大幅导入LED于背光模组。.LED的散热问题目前提高LED亮度有两种方式，分别为增加晶片亮度以及多颗密集排列等方式， 这些方法都需输入更高功率之能量，而输入 LED的能量，大约20%会转换成光源， 剩下80 %都转成热能，然在单颗封装内送入倍增的电流，发热自然也会倍增，因此 在如此小的散热面积下，散热问题会逐渐恶化。此封装如仅应用在只使用14颗LED 的散光灯，散光灯点亮时间短暂，故热累积现象不明显；如应用在的背光上，既使使 用，也要密集排列并长时间点亮，因此在有限的散热空间内难

5、以适时的将这些热排除 于外。但很不幸的，产生的热，对晶粒是很严重的问题。当晶粒介面温度升高时，量子转换效率导致下降，且寿命也会跟着下降；放射波长改变，使得色彩稳定性降低； 受热时因不同材质的膨胀系数不同，会有热应力累积使产品可靠性降低，使用年限也 会降低。因此，散热是高功率LED极需解决的重要问题。基本热力学传统光源白炽灯有73%以红外线辐射方式进行散热，在周围可以感受到高温高热， 所以灯泡本体热累积现象轻微，而LED产生的光，大多分布在以可见光或紫外光居多，不能以辐射方式帮助散热， 又因面积较小，难以将热量散出， 导致 LED 照明品质有很 大的问题产生，由此得知 LED 热能问题是目前急待

6、被解决。在讨论 LED 热管理的议题前，首先要先了解基本热力学。 基本上散热有 3 种方 式(表 2)，分别为“传导式散热 ”、“对流式散热 ”以及“辐射式散热 ”，从以上三者的理论 公式可以分析出，散热最主要问题点就在 “面积 ”；另外，由于因辐射在接近室温情况 下散热量非常小，所以最主要讨论的散热方式在传导和对流两方面。在了解散热之前还要知道热欧姆定理， 传统的电流欧姆定理：V=IR ,压降二电流X 电阻，电阻愈大，压降就愈大，表示电压在中消耗量愈大；同样的，热欧姆定理： T=QR, 温差=热流X热阻，当热阻愈大时，就有愈多的热残留在元件内，这说明了散热效果要 越好，热阻就要越低。 热欧姆

7、定理是以热阻 (Thermal resistance) 将热传以物理量量 化，计算方式为 LED 介面温度与室温的温差除以单位输入功率。 简单来说，如热阻 为10 °C/W，表示每输入1W的能量会是LED上升10 C。LED 的热管理热传是以等向性的方式传递，传递方向可大致区分成垂直与水平方向。 垂直方 向相当于将热阻串联，串联数愈多，热阻愈大。 水平传递等于是并联热阻，并联热 阻数愈多热阻越低， 表示增大传导面积和加强传热速率。 因此要有较佳的散热效果， 所传导的层数要越少且截面积要越大。图 2为 LED 元件垂直热阻图，热源由介面产生再垂直向上下传递，因保护层封 装采用低热传系数

8、材料， 加上面积又小， 所以仅有极少量热能向上传递而被忽略计算， 所以传递总热阻 =介面到黏接点热阻黏接点到基板热阻基板到载板热阻载板到 空气热阻，热会由介面迅速传递到大面积之载板或散热片，再经由水平传递到大面积 的表面上与空气热交换对流完成散热。基于上述理论，将LED元件热阻扩大运用至背光散热模组中， 因大面积面板薄型化的 需求，在极小空间中使用高热源密度元件，所以除了自然对流外，还需辅以风扇方式 进行强制对流增加散热。LED所产生的热，大多经由基板传递到载板散热片上，再以水平方式迅速传递至 整个载板之上，此热最后垂直传导到大面积的筐体上， 促成筐体表面的热对流和放射， 利用通风孔的热空气上

9、升流动或风散强制对流造成热将热量带走。另外，由等效热阻图(图3)可观察出，散热基板为整个背光散热模组的传递核心，此说明将散热基板 热阻降低，对整体的散热效益提升就越明显。封装降低LED热累积的方式有主要有以下三种，一为改善晶粒特性，在晶粒制作阶段， 增加发光效率降低发热的能量配置，此外传统式晶片皆以蓝宝石(sapphire)作为基板,其蓝宝石的热传导系数约只有20W/mK，不易将磊晶层所产生的热快速地排出至外部， 因此Cree公司以具高热传导系数的 矽”来取代蓝宝石，进而提升散热能力。另外，改用越大尺寸的晶粒 LED热阻值就越小。二为固晶(Die Bonding)方式,由打线(Wire Bon

10、 di ng)改为覆晶(Flip-Chip)，传统LED封装使用打线方式，但相对于 金属，蓝宝石传热相当慢，所以热源会从金属线传导，但散热效果不佳。Lumileds公司将晶粒改以覆晶方式倒置于散热基板上，欲排除蓝宝石不要在热传导路径上，并 在几何结构上增加传热面积以降低热阻。三为封装基板采用氧化铝、氮化铝、氧化铍及氮化硼等高导热以及与LED热膨胀系数匹配的材料，进而降低整个散热基板总热 阻方式。以下将LED散热封装材料之比较列于表3,早期LED以炮弹型方式进行封装， 其散热路径中有一小部分热源经保护层往大气方向散热，大多热源仅能透过金属架往 基板散热，此封装热阻相当地大，达 250350 C/

11、W。进而由表面贴合方式(SMD)于 基板上封装， 主要是藉由与基板贴合一起的 FR4 载板来导热， 利用增加散热面积的方 式来大幅降低其热阻值。 但此低成本的封装要面临的问题是， FR4 本身热传导系数 较低，膨胀系数过高，且为不耐高温的材料，在高功率的 LED 封装材料上不太适用。因此，再发展出内具金属核心的印刷电路板 (MetalCorePCB ；MCPCB) ，是将原 印刷电路板贴附在金属板上，运用贴附的铝或铜等热传导性较佳的金属来加速散热， 此封装技术可用于中阶功率的 LED 封装。 MCPCB 的铝基板虽有良好的导热系数， 但还需使用绝缘层来分离线路，但绝缘材多有热阻、热膨胀系数过高的缺点，作为封 装高功率 LED 时较不适合。 近期还有 DBC(Direct Bond Copper) 与 DPC(Direct Plated Copper) 技术被使用， DBC 热压铜于陶瓷板技术虽有良好的散热系数，但密合 强度、热应力与线路解析度等问题仍有待解决。在陶瓷材料上以 DPC 成型之基板，具有耐高电压、耐高温、与 LED 热膨胀系数 匹配等优势外，还可将热阻下降到 10C/W 以下，故此为现今