- 各種LED散熱技術對比分析
- 藉尺寸/材料改善芯片散熱
- 合并導熱孔降低熱阻值，縮減成本
- 透過散熱組件提高系統散熱效能
- 散熱鰭片、熱管可達成迅速散熱
- 均溫板局限燈具外觀設計
- 回路式熱管實現長距離熱傳導
伴隨著高功率 LED技術迭有進展，LED尺寸逐漸縮小，熱量集中在小尺寸芯片內，且熱密度更高，致使LED面臨日益嚴苛的熱管理考驗。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)到系統層級(System Level)，針對每一個環節進行優化的散熱設計，以獲得最佳的散熱(圖1)。本文詳細對比各種LED散熱技術，能有效指導LED燈具的散熱設計。
圖1 LED散熱策略
圖2 高功率LED剖面圖
從圖2中，可以了解整個高功率LED組件溫度定義，并利用公式1計算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責范疇。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為燈具系統商所負責的區域，以下將針對各關鍵組件進行散熱策略探討。
藉尺寸/材料改善芯片散熱
LED芯片發光同時亦會產生熱能(光電轉換效率約為25～35%)，造成芯片溫度(Tj)提高，然LED所產生的熱能是透過下方的傳熱底座傳導(Tsp)，因此當LED點亮時，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構兩種，芯片的熱阻計算為Rchip=Lchip/(Kchip×Achip)，其中 Lchip為熱傳路徑的長度(藍寶石基板厚度為100微米)；Kchip為總熱導系數(藍寶石約為35～40W/mK)；Achip為熱傳路徑的截面積 (40mil=1mm2)。根據上式，若將藍寶石基板厚度由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，透過改變材料結構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，大致可區分為傳統印刷電路板環氧玻璃纖維板(FR4)、金屬基印刷電路板(MCPCB)、陶瓷基板(AL2O3)及復合基板四種(表1)。 由于傳統FR4的銅箔層散熱能力有限，必須藉由較厚的金屬層降低擴散熱阻(Spreading Resistance)。另外再藉由介電層(Dielectrics)設計提高軸向上的熱傳速率，將熱能迅速傳導至散熱鰭片。從價格和量產觀點來看，印刷電路板優于其他基板，但其熱傳導系數低(熱阻值高)，不利于LED散熱，針對此缺點可透過以下幾種方式進行改善：
合并導熱孔降低熱阻值
在LED的傳熱底座及周邊范圍，加上導熱孔，并在其周圍鍍上一層銅箔層(35微米)，利用銅的高導熱性，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7K/W(圖4)。
圖4 FR4合并導熱孔
合并導熱孔/導熱材料有助于縮減成本
利用類似第一種的制作程序，只是導熱孔內加入高導熱系數的材料，并在導熱孔的上、下面與其周圍鍍上一層銅箔層(35微米)，藉由孔內的導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)。散熱基板實體圖如圖6所示。
圖5 FR4合并導熱孔及導熱材料
圖6 FR4散熱基板實體圖
MCPCB是最常見的高功率LED散熱基板，但此種基板最關鍵材料在于中間的介電絕緣層(Epoxy)，若是使用較高導熱系數的絕緣層材料，才能使LED的熱能快速透過下層的金屬板擴散并傳遞至散熱鰭片；反之，使用低導熱材料，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合并導熱孔和導熱材料制程，可將散熱基板熱阻值減少，并降低散熱基板成本。
圖7 不同導熱材料形成的熱阻值比較
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散熱效能
對于系統端的散熱策略，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)及壓電風扇(Piezo Fans)。以下為各組件原理介紹及優缺點。
散熱鰭片應用最為普及
散熱鰭片主要是靠傳導與自然對流方式進行散熱，為最常見的散熱方式，利用增加散熱面積與搭配風道、開氣孔設計，提升傳導和自然對流能力，缺點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。
圖9 散熱鰭片實體圖
熱管可達成迅速散熱
熱管在計算機的應用相當廣泛，近年來亦被應用在LED燈具，不外乎是看重其質量輕且結構簡單、傳熱迅速且無動件及毋須外加電源優點。因此，針對 LED熱密度極高的狀況下，熱管可快速散熱。然其缺點有溫度范圍限制、傳熱路徑較短及受重力影響時具方向性，因此應用在LED燈具無法將熱源有效帶至遠處，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，進而增加自然對流的能力(圖10)。
圖10 熱管實體圖
均溫板局限燈具外觀設計
均溫板、熱管原理與理論架構相同，只有熱傳導的方向不同，熱管的熱傳導方式是一維的，是線的熱傳導方式；而均溫板的熱傳導方式系二維，是面的熱傳導方式，因此均溫板可將熱源均勻擴散開來，以降低擴散熱阻。但即便均溫板在燈具應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，所以在燈具外型設計受限較大(圖11)。
圖11 均溫板實體圖
回路式熱管實現長距離熱傳導
回路式熱管是依靠封閉式回路管內的工質，在加熱端與冷卻端的熱交換進而達成熱量傳遞。熱量從加熱端傳遞給工質，使工質變成蒸氣。而當蒸氣流經冷卻端時，其被冷凝成液體，而加熱端內部的毛細結構可利用毛細力將冷凝液體帶回蒸發器，如此即可完成流體循環，達成熱能的傳遞。除一般傳統熱管的優點外，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，在自然對流運作下，毋須借助任何額外電力，可不斷循環散熱，有效解決散熱的問題，進而提升LED燈具壽命(圖12)。
圖12 應用LHP的LED燈具實體圖
壓電風扇適合室內燈具應用
相較于一般的傳統風扇而言，壓電風扇具備體積小、消耗功率小、噪音小、長壽命等優點，這些優點相當適用于現在室內LED燈具散熱所需的低功率、低噪音和不占空間的要求。而壓電風扇則是利用壓電材料具有壓電效應的特性來造成葉片的擺動，造成空氣流動來帶走LED產生的溫度。一般選用壓電風扇性能參數在于其壓電參數、扇葉厚度和黏合膠(Bonding Glue)之不同。圖13顯示一個實際應用范例，此為一個室內燈具模塊，搭配壓電風扇及小面積散熱鰭片，形成氣流，提高對流熱傳系數。
圖13 主動式壓電風扇散熱
LED以其節能及環保特點有著廣闊的應用空間，在照明領域中，LED發光產品的應用正吸引世人目光，一般來說，LED燈具能否穩定工作？能否如外界預期的十萬小時壽命？此與芯片至燈具的散熱息息相關。綜觀上述各種散熱技術，不難發現LED的散熱技術日益多元化。應用在高功率LED燈具的散熱技術，也不再是單一選擇或單一應用。如何巧妙搭配各種散熱技術，使其達成低熱阻、高功率之LED燈具，為目前LED最重要的課題之一。
