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高亮度LED封装热导原理
来源:http://www.jgjjl.com 编辑:www.kb88.com 2018-10-17 15:50

  高亮度LED封装热导原理

   曩昔LED只能拿来做为状况指示灯的年代,其封装散热历来就不是问题,但近年来LED的亮度、功率皆活跃提高,并开端用于背光与电子照明等运用后,LED的封装散热问题已悄然显现。

   上述的讲法听来有些让人疑问,今天不是一向着重LED的亮度打破吗?2003年Lumileds Lighting公司Roland Haitz先生依据曩昔的调查所理出的一个经验性技能推论规律,从1965年第一个商业化的LED开端算,在这30多年的开展中,LED约每18个月;24个月可提高一倍的亮度,而在往后的10年内,估计亮度能够再提高20倍,而本钱将降至现有的1/10,此也是近年来开端盛行的Haitz规律,且被认为是LED界的Moore(摩尔)规律。
 

  
依据Haitz规律的推论,亮度达100lm/W(每瓦宣布100流明)的LED约在2008年;2010年间呈现,不过实践的开展好像已比规律更超前,2006年6月日亚化学工业(Nichia)现已开端供给可达100lm/W白光LED的工程样品,估计年末可正式投入量产。

  

   Haitz规律可说是LED领域界的Moore规律,依据Roland Haitz的表明,曩昔30多年来LED简直每18;24个月就能提高一倍的发光功率,也因而推估未来的10年(2003年;2013年)将会再生长20倍的亮度,但价格将只要现在的1/10。(图片来历:Lumileds.com)

   不只亮度不断提高,LED的散热技能也一向在提高,1992年一颗LED的热阻抗(Thermal Resistance)为360℃/W,之后降至125℃/W、75℃/W、15℃/W,当今已是到了每颗6℃/W∼10℃/W的境地,更简单说,以往LED每耗费1瓦的电能,温度就会添加360℃,现在则是相同耗费1瓦电能,温度却只上升6℃;10℃。

   少颗数高亮度、多颗且密布排布是增热首恶

   已然亮度功率提高、散热功率提高,那不是愈加对立?应当愈加没有散热问题不是?其实,应当更严格地说,散热问题的加重,不在高亮度,而是在高功率;不在传统封装,而在新封装、新运用上。

   首要,过往只用来当指示灯的LED,每单一颗的点亮(顺导游通)电流多在5mA;30mA间,典型而言则为20mA,而现在的高功率型LED(注1),则是每单一颗就会有330mA;1A的电流送入,「每颗用电」添加了十倍、乃至数十倍(注2)。

   注1:现有高功率型LED的作法,除了将单一发光裸晶的面积增大外,也有实即将多颗裸晶一起封装的作法。事实上有的白光LED就是在同一封装内放入红、绿、蓝3个原色的裸晶来混出白光。

   注2:尽管各种LED的点亮(顺导游通)电压有异,但在此暂时疏忽此一差异。

   在相同的单颗封装内送入倍增的电流,发热天然也会倍增,如此散热状况当然会恶化,但很不幸的,由于要将白光LED拿来做照相手机的闪光灯、要拿来做小型照明用灯泡、要拿来做投影机内的照明灯泡,如此仅仅高亮度是不行的,还要用上高功率,这时散热就成了问题。

   上述的LED运用方法,仅是运用少量几颗高功率LED,闪光灯约1;4颗,照明灯泡约1;8颗,投影机内10多颗,不过闪光灯运用时机少,点亮时刻不长,单颗的照明灯泡则有较宽余的周遭散热空间,而投影机内虽无宽余散热空间但却可设备散热电扇。

  

   图中为InGaN与AlInGaP两种LED用的半导体资料,在各尖峰波长(光色)下的外部量子化功率图,尽管最理想下可迫临40%,但若再将光取功率列入考虑,实践上都在15%;25%间,况且两种资料在更高功率的部分都不在人眼感受性的领域内,领域之下的仅有20%。(图片来历:Lumileds.com)

   但是,现在还有许多运用是需求高亮度,但又需求将高亮度LED密布摆放运用的,例如交通号志灯、消息广告牌的走马灯、用LED组凑成的电视墙等,密布摆放的成果就是不易散热,这是运用所构成的散热问题。

   更有甚者,在液晶电视的背光上,既是运用高亮度LED,也要密布摆放,且为了考究矮小轻浮,使背部可用的散热规划空间愈加拘限,且若高标要求来看也不该运用散热电扇,由于电扇的吵杂声会影响电视欣赏的品尝心情。

   散热问题不处理有哪些副作用?

   好!假使不处理散热问题,而让LED的热无法排解,进而使LED的工作温度上升,如此会有什么影响吗?关于此最首要的影响有二:(1)发光亮度削弱、(2)运用寿数衰减。

   举例而言,当LED的p-n接面温度(Junction Temperature)为25℃(典型工作温度)时亮度为100,而温度升高至75℃时亮度就减至80,到125℃剩60,到175℃时只剩40。很明显的,接面温度与发光亮度是呈反比线性的联系,温度愈升高,LED亮度就愈转暗。

   温度对亮度的影响是线性,但对寿数的影响就呈指数性,相同以接面温度为准,若一向保持在50℃以下运用则LED有近20,000小时的寿数,75℃则只剩10,000小时,100℃剩5,000小时,125℃剩2,000小时,150℃剩1,000小时。温度光从50℃变成2倍的100℃,运用寿数就从20,000小时缩成1/4倍的5,000小时,损伤极大。

   裸晶层:光热一体双面的发散源头:p-n接面

   关于LED的散热咱们相同从最中心处逐层向外评论,一起头也是在p-n接面部分,处理方案相同是将电能尽可能转化成光能,而少转化成热能,也就是光能提高,热能就下降,以此来下降发热。

   假如更进一步评论,电光变换功率就是内部量子化功率(Internal Quantum Efficiency;IQE),今天一般来说都已有70%∼90%的水平,真实的症结在于外部量子化功率(External Quantum Efficiency;EQE)的失落。

   以Lumileds Lighting公司的Luxeon系列LED为例,Tj接面温度为25℃,顺向驱动电流为350mA,如此以InGaN而言,跟着波长(光色)的不同,其功率约在5%∼27%之间,波长愈高功率愈低(草绿色仅5%,蓝色则可至27%),而AlInGaP方面也是随波长而有改动,但却是波长愈高功率愈高,功率大体从8%∼40%(淡黄色为低,橘红最高)。
 

  

  
从Lumileds公司Luxeon系列LED的横切面能够得知,硅封胶固定住LED裸晶与裸晶上的荧光质(若有用上荧光质的话),然后封胶之上才有透镜,而裸晶下方用焊接(或导热膏)与硅子镶嵌芯片(Silicon Sub-mount Chip)衔接,此芯片也可强化ESD静电防护性,往下再衔接散热块,部分LED也直接裸晶底部与散热块相连.
 

  
Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶实施覆晶镶嵌法,因而其蓝宝石基板变成在上端,一起还参加一层银质作为光反射层,进而添加光取出量,此外也在Silicon Submount内制出两个基纳二极管(Zener Diode),使LED取得稳压作用,使运作体现更安稳。
由于添加光取出率(Extraction Efficiency,也称:汲光功率、光取功率)也就等于削减热发散率,等于是一个课题的双面,而关于光取出率的提高请见另一篇专文:高亮度LED之「封装光通」原理技能探析。在此不再评论。

   裸晶层:基板资料、覆晶式镶嵌

   如安在裸晶层面添加散热性,改动原料与几许结构再次成为必要的手法,关于此现在最常用的两种方法是:1.换替基板(Substrate,也称:底板、衬底,有些当地也称为:Carrier)的资料。2.经裸晶改采覆晶(Flip-Chip,也称:倒晶)方法镶嵌(mount)。

   先说明基板部分,基板的资料并不是说换就能换,有必要能与裸晶资料相匹配才行,现有AlGaInP常用的基板资料为GaAs、Si,InGaN则为SiC、Sapphire(并运用AlN做为缓冲层)。
 

  

  
为了强化LED的散热,曩昔的FR4印刷电路板已不足敷衍,因而提出了内具金属中心的印刷电路板,称为MCPCB,运用更底部的铝或铜等热传导性较佳的金属来加快散热,不过也因绝缘层的特性使其热传导遭到若干约束.

   对光而言,基板不是要够通明使其不会阻止光,就是在发光层与基板之间再参加一个反光性的资料层,以此防止「光能」被基板所阻止、吸收,构成糟蹋,例如GaAs基板就是不透光,因而再参加一个DBR(Distributed Bragg Reflector)反射层来进行反光。而Sapphire基板则是可直接反光,或通明的GaP基板能够透光。

   除此之外,基板资料也有必要具有杰出的热传导性,担任将裸晶所释放出的热,敏捷导到更基层的散热块(Heat Slug)上,不过基板与散热块间也有必要运用热传导杰出的介接物,如焊料或导热膏。一起裸晶上方的环氧树脂或硅树脂(就是指:封胶层)等也有必要有必定的耐热才能,好因应从p-n接面开端,传导到裸晶外表的温度。

   除了强化基板外,另一种作法是覆晶式镶嵌,将曩昔坐落上方的裸晶电极转至下方,电极直接与更底部的线箔连通,如此热也能更快传导至下方,此种散热法不只用在LED上,现在高热的CPU、GPU也早就实施此道来加快散热。

   从传统FR4 PCB到金属中心的MCPCB

   将热导到更基层后,就曩昔而言是直接运用铜箔印刷电路板(Printed Circuit Board;PCB)来散热,也就是最常见的FR4印刷电路基板,但是跟着LED的发热愈来愈高,FR4印刷电路基板已逐步难以消受,理由是其热传导率不行(仅0.36W/m.K)。

   为了改进电路板层面的散热,因而提出了所谓的金属中心的印刷电路板(Metal Core PCB;MCPCB),就是将原有的印刷电路板附贴在别的一种热传导作用更好的金属上(如:铝、铜),以此来强化散热作用,而这片金属位在印刷电路板内,所以才称为「Metal Core」,MCPCB的热传导功率就高于传统FR4 PCB,达1W/m.K∼2.2W/m.K。

   不过,MCPCB也有些约束,在电路系统运作时不能超越140℃,这个首要是来自介电层(Dielectric Layer,也称Insulated Layer,绝缘层)的特性约束,此外在制作过程中也不得超越250℃;300℃,这在过锡炉时前有必要事前了解。

   附注:尽管铝、铜都是适宜的热导热金属,不过碍于本钱多半是挑选铝原料。

   IMS强化MCPCB在绝缘层上的热传导

   MCPCB尽管比FR4 PCB散热作用佳,但MCPCB的介电层却没有太好的热传导率,大体与FR4 PCB相同,仅0.3W/m.K,成为散热块与金属中心板间的传导瓶颈。

   为了改进此一景象,有业者提出了IMS(Insulated Metal Substrate,绝缘金属基板)的改进法,将高分子绝缘层及铜箔电路以环氧方法直接与铝、铜板接合,然后再将LED装备在绝缘基板上,此绝缘基板的热传导率就比较高,达1.1;2W/m.K,比之前高出3;7倍的传导功率。

   更进一步的,若绝缘层仍旧被认为是导热性欠安,也有直接让LED底部的散热块,透过在印刷电路板上的穿孔(Through Hole)作法,使其直接与中心金属触摸,以此加快散热。此作法很耐人寻味,由于曩昔的印刷电路板不是为插件组件焊接而凿,就是为线路绕径而凿,现在却是为散热规划而凿。

   结束

   除了MCPCB、MCPCB+IMS法之外,也有人提出用陶瓷基板(Ceramic Substrate),或者是所谓的直接铜接合基板(Direct Copper Bonded Substrate,简称:DBC),或是金属复合资料基板。无论是陶瓷基板或直接铜接合基板都有24∼170W/m.K的高传导率,其间直接铜接合基板更答应制程温度、运作温度达800℃以上,不过这些技能都有待更进一步的老练调查。

  

   Philips公司的五颜六色动态式LED照明模块,四组灯泡内各有一个1W的高亮度、高功率LED,且分别是红、绿、蓝、琥珀等四种色彩,首要用于购物场所的气氛照明、墙面色彩的改动、建筑物的野外特效照明等。(小汤)

  

  

  

  

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