過(guò)去led只能拿來(lái)做為狀態(tài)指示燈的時(shí)代,其封裝散熱從來(lái)就不是問(wèn)題,但近年來(lái)led的亮度、功率皆積極提升,并開(kāi)始用于背光與電子照明等應(yīng)用后,led的封裝散熱問(wèn)題已悄然浮現(xiàn)。
2003年,lumileds lighting公司roland haitz先生依據(jù)過(guò)去的觀察所理出的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性技術(shù)推論定律,從1965年第一個(gè)商業(yè)化的led開(kāi)始算,在這30多年的發(fā)展中,led約每18~24月可提升一倍的亮度,而在往后的10年內(nèi),預(yù)計(jì)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(lái)開(kāi)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(guò)實(shí)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(kāi)始提供可達(dá)100lm/w白光led的工程樣品,預(yù)計(jì)年底可正式投入量產(chǎn)。
Haitz定律可說(shuō)是led領(lǐng)域界的moore定律,根據(jù)roland haitz的表示,過(guò)去30多年來(lái)led幾乎每18~24個(gè)月就能提升一倍的發(fā)光效率,也因此推估未來(lái)的10年(2003年~2013年)將會(huì)再成長(zhǎng)20倍的亮度,但價(jià)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(thermal resistance)為360℃/w,之后降至125℃/w、75℃/w、15℃/w,而今已是到了每顆6~10℃/w的地步,更簡(jiǎn)單說(shuō),以往led每消耗1瓦的電能,溫度就會(huì)增加360℃,現(xiàn)在則是相同消耗1瓦電能,溫度卻只上升6~10℃。
MCPCB散熱技術(shù)
過(guò)去,LED是直接運(yùn)用銅箔印刷電路板(printed circuit board;pcb)來(lái)散熱,也就是最常見(jiàn)的fr4印刷電路基板。然而,隨著led的發(fā)熱愈來(lái)愈高,fr4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夾層的印刷電路板(metal core pcb;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(lái)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metal core,MCPCB的熱傳導(dǎo)效率就高于傳統(tǒng)fr4 pcb,達(dá)1w/m.k~2.2w/m.k。
不過(guò),MCPCB也有些限制,在電路系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)不能超過(guò)140℃ ,這個(gè)主要是來(lái)自介電層(dielectric layer,也稱insulated layer,絕緣層)的特性限制,此外在制造過(guò)程中也不得超過(guò)250~300℃ ,這在過(guò)錫爐時(shí)前必須事先了解。
MCPCB的改進(jìn)
目前,有業(yè)者提出了IMS(insulated metal substrate,絕緣金屬基板)技術(shù)以改善MCPCB的散熱效果,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(guò)在印刷電路板上的穿孔(through hole)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?yàn)檫^(guò)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(jì)而鑿。
除了MCPCB、MCPCB+ims法之外,也有人提出用陶瓷基板(ceramic substrate),或者是所謂的直接銅接合基板(direct copper bonded substrate,簡(jiǎn)稱dbc),或是金屬?gòu)?fù)合材料基板。無(wú)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(yùn)作溫度達(dá)800℃以上,不過(guò)這些技術(shù)都有待更進(jìn)一步的成熟觀察。
產(chǎn)品實(shí)例:萊爾德科技T-lam SS LLD MCPCB
萊爾德科技公司(Laird Technologies)2008年2月25日推出了新的T-lam SS LLD,這是一種含金屬夾層的印刷電路板(MCPCB),用于發(fā)光二極管應(yīng)用系統(tǒng)。使用這種環(huán)保型層壓板時(shí),明亮和超亮的LED發(fā)光器能夠更亮、發(fā)光更長(zhǎng)久、更加均勻一致。新的T-lam SS LLD有一層銅電路層和鋁基板,它與T-lam LLD電介質(zhì)粘結(jié)在一起。T-lam LLD層壓板是用標(biāo)準(zhǔn)的電路板制造和裝配工藝制造而成的。
LED發(fā)光器裝在用T-lam LLD設(shè)計(jì)的電路板上,可以延長(zhǎng)LED發(fā)光器的壽命,而且電路板的散熱路徑均勻一致,因而LED發(fā)光條模組發(fā)出的光均勻一致。由于電介材料的獨(dú)特微結(jié)構(gòu),發(fā)光條組裝件能夠經(jīng)受住幾千次熱膨脹系數(shù)失配所引起的熱循環(huán)。
T-lam SS LLD是用于LED照明系統(tǒng)的理想材料,特別適合電視機(jī)和監(jiān)視器使用的LED背光模組,并且適合路燈、商業(yè)大廈的安全照明和一般的照明使用的發(fā)光器。