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【圖文】各種LED散熱技術(shù)對比分析

發(fā)布時(shí)間:2011-10-14

中心議題:
  • 各種LED散熱技術(shù)對比分析
解決方案:
  • 藉尺寸/材料改善芯片散熱
  • 合并導(dǎo)熱孔降低熱阻值,縮減成本
  • 透過散熱組件提高系統(tǒng)散熱效能
  • 散熱鰭片、熱管可達(dá)成迅速散熱
  • 均溫板局限燈具外觀設(shè)計(jì)
  • 回路式熱管實(shí)現(xiàn)長距離熱傳導(dǎo)

伴隨著高功率 LED技術(shù)迭有進(jìn)展,LED尺寸逐漸縮小,熱量集中在小尺寸芯片內(nèi),且熱密度更高,致使LED面臨日益嚴(yán)苛的熱管理考驗(yàn)。為降低 LED熱阻,其散熱必須由芯片層級(Chip LevEL)、封裝層級(Package Level)、散熱基板層級 (Board Level)到系統(tǒng)層級(System Level),針對每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化的散熱設(shè)計(jì),以獲得最佳的散熱(圖1)。本文詳細(xì)對比各種LED散熱技術(shù),能有效指導(dǎo)LED燈具的散熱設(shè)計(jì)。
                                                  圖1 LED散熱策略
                                                                圖1 LED散熱策略
                             圖2 高功率LED剖面圖
                                                         圖2 高功率LED剖面圖

從圖2中,可以了解整個(gè)高功率LED組件溫度定義,并利用公式1計(jì)算LED總熱阻值。其中Rj-a為芯片與空氣之間的熱阻值(K/W),此部分的熱阻由芯片和封裝造成,屬于磊晶廠及封裝廠商負(fù)責(zé)范疇。Rsp-h為散熱基板與散熱鰭片之間的熱阻值(K/W);Rh-a為散熱鰭片與空氣端的熱阻值(K /W),Rsp-h及Rh-a為燈具系統(tǒng)商所負(fù)責(zé)的區(qū)域,以下將針對各關(guān)鍵組件進(jìn)行散熱策略探討。
                                       圖3 Cree-EZ1000的芯片示意圖

藉尺寸/材料改善芯片散熱
LED芯片發(fā)光同時(shí)亦會產(chǎn)生熱能(光電轉(zhuǎn)換效率約為25~35%),造成芯片溫度(Tj)提高,然LED所產(chǎn)生的熱能是透過下方的傳熱底座傳導(dǎo)(Tsp),因此當(dāng)LED點(diǎn)亮?xí)r,若無法快速與有效的將熱量帶走,將會造成亮度降低、壽命變短及波長飄移,甚至造成LED損壞,圖3為科瑞(Cree)EZ1000的芯片示意圖。
                                          圖4 FR4合并導(dǎo)熱孔
                                                             圖3 Cree-EZ1000的芯片示意圖

芯片的散熱策略可大致歸納為增加芯片尺寸和改變材料結(jié)構(gòu)兩種,芯片的熱阻計(jì)算為Rchip=Lchip/(Kchip×Achip),其中 Lchip為熱傳路徑的長度(藍(lán)寶石基板厚度為100微米);Kchip為總熱導(dǎo)系數(shù)(藍(lán)寶石約為35~40W/mK);Achip為熱傳路徑的截面積 (40mil=1mm2)。根據(jù)上式,若將藍(lán)寶石基板厚度由100微米縮短至80微米,芯片熱阻可降低20%,但不能無限制的縮短造成晶圓片破片。另外,若將Kchip值提高至280W/mK(SiC),芯片熱阻可降低87.5%。因此,透過改變材料結(jié)構(gòu)是目前較有效降低芯片熱阻的方式。[page]
 FR4散熱基板成主流

一般對于常見LED的散熱基板,大致可區(qū)分為傳統(tǒng)印刷電路板環(huán)氧玻璃纖維板(FR4)、金屬基印刷電路板(MCPCB)、陶瓷基板(AL2O3)及復(fù)合基板四種(表1)。 由于傳統(tǒng)FR4的銅箔層散熱能力有限,必須藉由較厚的金屬層降低擴(kuò)散熱阻(Spreading Resistance)。另外再藉由介電層(Dielectrics)設(shè)計(jì)提高軸向上的熱傳速率,將熱能迅速傳導(dǎo)至散熱鰭片。從價(jià)格和量產(chǎn)觀點(diǎn)來看,印刷電路板優(yōu)于其他基板,但其熱傳導(dǎo)系數(shù)低(熱阻值高),不利于LED散熱,針對此缺點(diǎn)可透過以下幾種方式進(jìn)行改善:

合并導(dǎo)熱孔降低熱阻值
在LED的傳熱底座及周邊范圍,加上導(dǎo)熱孔,并在其周圍鍍上一層銅箔層(35微米),利用銅的高導(dǎo)熱性,將傳熱底座的熱能快速傳遞至下方的散熱鰭片,以降低FR4散熱基板熱阻值達(dá)7K/W(圖4)。
                                        FR4合并導(dǎo)熱孔
                                                                                    圖4 FR4合并導(dǎo)熱孔

合并導(dǎo)熱孔/導(dǎo)熱材料有助于縮減成本
利用類似第一種的制作程序,只是導(dǎo)熱孔內(nèi)加入高導(dǎo)熱系數(shù)的材料,并在導(dǎo)熱孔的上、下面與其周圍鍍上一層銅箔層(35微米),藉由孔內(nèi)的導(dǎo)熱材料與孔周圍的銅箔層,將傳熱底座的熱能快速傳遞至下方的散熱鰭片,降低FR4散熱基板熱阻值至3K/W(圖5)。散熱基板實(shí)體圖如圖6所示。
                                                        FR4合并導(dǎo)熱孔及導(dǎo)熱材料
                                                                            圖5 FR4合并導(dǎo)熱孔及導(dǎo)熱材料
                                                         FR4散熱基板實(shí)體圖
                                                                            圖6 FR4散熱基板實(shí)體圖

MCPCB是最常見的高功率LED散熱基板,但此種基板最關(guān)鍵材料在于中間的介電絕緣層(Epoxy),若是使用較高導(dǎo)熱系數(shù)的絕緣層材料,才能使LED的熱能快速透過下層的金屬板擴(kuò)散并傳遞至散熱鰭片;反之,使用低導(dǎo)熱材料,則熱能無法有效傳遞至金屬基板,形成高熱阻抗,其傳熱性能差異如圖7 所示。 從圖8熱阻比較圖中可知,若是采用FR4合并導(dǎo)熱孔和導(dǎo)熱材料制程,可將散熱基板熱阻值減少,并降低散熱基板成本。
                                                                 不同導(dǎo)熱材料形成的熱阻值比較
                                                                    圖7 不同導(dǎo)熱材料形成的熱阻值比較
                                                    不同散熱基板熱阻值比較圖
                                                                                圖8 不同散熱基板熱阻值比較圖[page]
透過散熱組件提高系統(tǒng)散熱效能
對于系統(tǒng)端的散熱策略,常見的散熱組件為鰭片(Heat Sink)、熱管(Heat Pipes)、均溫板(Vapor Chamber)、回路式熱管(Loop Heat Pipe, LHP)及壓電風(fēng)扇(Piezo Fans)。以下為各組件原理介紹及優(yōu)缺點(diǎn)。

散熱鰭片應(yīng)用最為普及
散熱鰭片主要是靠傳導(dǎo)與自然對流方式進(jìn)行散熱,為最常見的散熱方式,利用增加散熱面積與搭配風(fēng)道、開氣孔設(shè)計(jì),提升傳導(dǎo)和自然對流能力,缺點(diǎn)為重量和落塵堆積造會成散熱不良。常見的散熱鰭片種類如圖9所示。
                                                    散熱鰭片實(shí)體圖
                                                                                     圖9 散熱鰭片實(shí)體圖

熱管可達(dá)成迅速散熱

熱管在計(jì)算機(jī)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛,近年來亦被應(yīng)用在LED燈具,不外乎是看重其質(zhì)量輕且結(jié)構(gòu)簡單、傳熱迅速且無動件及毋須外加電源優(yōu)點(diǎn)。因此,針對 LED熱密度極高的狀況下,熱管可快速散熱。然其缺點(diǎn)有溫度范圍限制、傳熱路徑較短及受重力影響時(shí)具方向性,因此應(yīng)用在LED燈具無法將熱源有效帶至遠(yuǎn)處,即便熱管能將熱源迅速帶離開,但仍須搭配各種散熱鰭片增加與空氣的接觸面積,進(jìn)而增加自然對流的能力(圖10)。
                                                                  熱管實(shí)體圖
                                                                                         圖10 熱管實(shí)體圖

均溫板局限燈具外觀設(shè)計(jì)
均溫板、熱管原理與理論架構(gòu)相同,只有熱傳導(dǎo)的方向不同,熱管的熱傳導(dǎo)方式是一維的,是線的熱傳導(dǎo)方式;而均溫板的熱傳導(dǎo)方式系二維,是面的熱傳導(dǎo)方式,因此均溫板可將熱源均勻擴(kuò)散開來,以降低擴(kuò)散熱阻。但即便均溫板在燈具應(yīng)用僅能為垂直方向傳遞,不如熱管可把熱往水平或垂直方向傳遞,所以在燈具外型設(shè)計(jì)受限較大(圖11)。
                                                  均溫板實(shí)體圖
                                                                        圖11 均溫板實(shí)體圖

回路式熱管實(shí)現(xiàn)長距離熱傳導(dǎo)
回路式熱管是依靠封閉式回路管內(nèi)的工質(zhì),在加熱端與冷卻端的熱交換進(jìn)而達(dá)成熱量傳遞。熱量從加熱端傳遞給工質(zhì),使工質(zhì)變成蒸氣。而當(dāng)蒸氣流經(jīng)冷卻端時(shí),其被冷凝成液體,而加熱端內(nèi)部的毛細(xì)結(jié)構(gòu)可利用毛細(xì)力將冷凝液體帶回蒸發(fā)器,如此即可完成流體循環(huán),達(dá)成熱能的傳遞。除一般傳統(tǒng)熱管的優(yōu)點(diǎn)外,回路式熱管最吸引人之處在于它可做長距離熱量傳遞、管路可彎曲,因此極富靈活性且不受重力場的影響,任何方向均可操作。因此藉由回路式熱管遠(yuǎn)距離熱傳特性,將LED熱源所釋放出來的熱藉由銅管回路傳遞至燈殼上(散熱板),并利用大面積燈殼表面與空氣接觸,在自然對流運(yùn)作下,毋須借助任何額外電力,可不斷循環(huán)散熱,有效解決散熱的問題,進(jìn)而提升LED燈具壽命(圖12)。
                                                   應(yīng)用LHP的LED燈具實(shí)體圖
                                                                   圖12 應(yīng)用LHP的LED燈具實(shí)體圖
壓電風(fēng)扇適合室內(nèi)燈具應(yīng)用
相較于一般的傳統(tǒng)風(fēng)扇而言,壓電風(fēng)扇具備體積小、消耗功率小、噪音小、長壽命等優(yōu)點(diǎn),這些優(yōu)點(diǎn)相當(dāng)適用于現(xiàn)在室內(nèi)LED燈具散熱所需的低功率、低噪音和不占空間的要求。而壓電風(fēng)扇則是利用壓電材料具有壓電效應(yīng)的特性來造成葉片的擺動,造成空氣流動來帶走LED產(chǎn)生的溫度。一般選用壓電風(fēng)扇性能參數(shù)在于其壓電參數(shù)、扇葉厚度和黏合膠(Bonding Glue)之不同。圖13顯示一個(gè)實(shí)際應(yīng)用范例,此為一個(gè)室內(nèi)燈具模塊,搭配壓電風(fēng)扇及小面積散熱鰭片,形成氣流,提高對流熱傳系數(shù)。
                                                 主動式壓電風(fēng)扇散熱
                                                                                 圖13 主動式壓電風(fēng)扇散熱

LED以其節(jié)能及環(huán)保特點(diǎn)有著廣闊的應(yīng)用空間,在照明領(lǐng)域中,LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引世人目光,一般來說,LED燈具能否穩(wěn)定工作?能否如外界預(yù)期的十萬小時(shí)壽命?此與芯片至燈具的散熱息息相關(guān)。綜觀上述各種散熱技術(shù),不難發(fā)現(xiàn)LED的散熱技術(shù)日益多元化。應(yīng)用在高功率LED燈具的散熱技術(shù),也不再是單一選擇或單一應(yīng)用。如何巧妙搭配各種散熱技術(shù),使其達(dá)成低熱阻、高功率之LED燈具,為目前LED最重要的課題之一。
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