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精品文档-下载后可编辑分析LED封装散热设计全攻略前言:
LED(LightEmittingDiode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个"P-N结".当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色,是由形成P-N结材料决定的。
LED的亮度是跟LED的发光角度有必然关系的,LED的角度越小它的亮度越高,没有什么超亮不超亮的,那是骗小孩的,如果是质量好的LED不管是哪家LED厂家生产的大家的亮度都差不多的,只是生产工艺不一样,使用寿命略有不同,因为大家用的都是那几家国外的LED芯片。如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有几百MCD,如果是15度角的亮度就要去到一万多两万MCD的亮度了,亮度相差好几十倍了,如果是用于照明用的,在户外是用大功率的LED了,亮度就更高了,单个功率有1W,3W,5W,还有的是用多个大功率组合成一个大功率的LED,功率去到几百都有。
依据Haitz定律的推论,亮度达100lm/W(每瓦发出100流明)的LED约在2022年;2022年间出现,不过实际的发展似乎已比定律更超前,2022年6月日亚化学工业(Nichia)已经开始提供可达100lm/W白光LED的工程样品,预计年底可正式投入量产。
Haitz定律可说是LED领域界的Moore定律,根据RolandHaitz的表示,过去30多年来LED几乎每18;24个月就能提升一倍的发光效率,也因此推估未来的10年(2022年;2022年)将会再成长20倍的亮度,但价格将只有现在的1/10.
不仅亮度不断提升,LED的散热技术也一直在提升,1992年一颗LED的热阻抗(ThermalResistance)为360℃/W,之后降至125℃/W、75℃/W、15℃/W,而今已是到了每颗6℃/W~10℃/W的地步,更简单说,以往LED每消耗1瓦的电能,温度就会增加360℃,现在则是相同消耗1瓦电能,温度却只上升6℃;10℃。
少颗数高亮度、多颗且密集排布是增热元凶
既然亮度效率提升、散热效率提升,那不是更加矛盾?应当更加没有散热问题不是?其实,应当更严格地说,散热问题的加剧,不在高亮度,而是在高功率;不在传统封装,而在新封装、新应用上。
首先,过往只用来当指示灯的LED,每单一颗的点亮电流多在5mA;30mA间,典型而言则为20mA,而现在的高功率型LED,则是每单一颗就会有330mA;1A的电流送入,增加了十倍、甚至数十倍。
在相同的单颗封装内送入倍增的电流,发热自然也会倍增,如此散热情况当然会恶化,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,如此只是高亮度是不够的,还要用上高功率,这时散热就成了问题。
上述的LED应用方式,仅是使用少数几颗高功率LED,闪光灯约1;4颗,照明灯泡约1;8颗,投影机内10多颗,不过闪光灯使用机会少,点亮时间不长,单颗的照明灯泡则有较宽裕的周遭散热空间,而投影机内虽无宽裕散热空间但却可装置散热风扇。
图中为InGaN与AlInGaP两种LED用的半导体材料,在各尖峰波长(光色)下的外部量子化效率图,虽然理想下可逼近40%,但若再将光取效率列入考虑,实际上都在15%;25%间,何况两种材料在更高效率的部分都不在人眼感受性的范畴内,范畴之下的仅有20%.
可是,现在还有许多应用是需要高亮度,但又需要将高亮度LED密集排列使用的,例如交通号志灯、讯息广告牌的走马灯、用LED组凑成的电视墙等,密集排列的结果便是不易散热,这是应用所造成的散热问题。
更有甚者,在液晶电视的背光上,既是使用高亮度LED,也要密集排列,且为了讲究短小轻薄,使背部可用的散热设计空间更加拘限,且若高标要求来看也不应使用散热风扇,因为风扇的吵杂声会影响电视观赏的品味情绪。
统上,LED的调光是利用一个DC信号或滤液PWM对LED中的正向电流进行调节来完成的。减小LED电流将起到调节LED光输出强度的作用,然而,正向电流的变化也会改变LED的彩色,因为LED的色度会随着电流的变化而变化。许多应用(例如汽车和LCDTV背光照明)都不能允许LED发生任何的色彩漂移。在这些应用中,由于周围环境中存在不同的光线变化,而且人眼对于光强的微小变化都很敏感,因此宽范围调光是必需的。通过施加一个PWM信号来控制LED亮度的做法允许不改变彩色的情况下完成LED的调光。
散热问题不解决有哪些副作用?
好!倘若不解决散热问题,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?关于此主要的影响有二:(1)发光亮度减弱、(2)使用寿命衰减。
举例而言,当LED的p-n接面温度(JunctionTemperature)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关系,温度愈升高,LED亮度就愈转暗。
温度对亮度的影响是线性,但对寿命的影响就呈指数性,同样以接面温度为准,若一直保持在50℃以下使用则LED有近20,000小时的寿命,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℃,使用寿命就从20,000小时缩成1/4倍的5,000小时,伤害极大。
裸晶层:光热一体两面的发散源头:p-n接面
关于LED的散热我们同样从处逐层向外讨论,一起头也是在p-n接面部分,解决方案一样是将电能尽可能转化成光能,而少转化成热能,也就是光能提升,热能就降低,以此来降低发热。
如果更进一步讨论,电光转换效率即是内部量子化效率(InternalQuantumEfficiency;IQE),今日一般而言都已有70%~90%的水平,真正的症结在于外部量子化效率(ExternalQuantumEfficiency;EQE)的低落。
以LumiledsLighting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,随着波长(光色)的不同,其效率约在5%~27%之间,波长愈高效率愈低(草绿色仅5%,蓝色则可至27%),而AlInGaP方面也是随波长而有变化,但却是波长愈高效率愈高,效率大体从8%~40%(淡黄色为低,橘红)。
从Lumileds公司Luxeon系列LED的横切面可以得知,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,此芯片也可强化ESD静电防护性,往下再连接散热块,部分LED也直接裸晶底部与散热块相连。
Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶实行覆晶镶嵌法,因此其蓝宝石基板变成在上端,同时还加入一层银质作为光反射层,进而增加光取出量,此外也在SiliconSubmount内制出两个基纳二极管(ZenerDiode),使LED获得稳压效果,使运作表现更稳定。
由于增加光取出率(ExtractionEfficiency,也称:汲光效率、光取效率)也就等于减少热发散率,等于是一个课题的两面。
裸晶层:基板材料、覆晶式镶嵌
如何在裸晶层面增加散热性,改变材质与几何结构再次成为必要的手段,关于此目前常用的两种方式是:1.换替基板(Substrate,也称:底板、衬底,有些地方也称为的材料。2.经裸晶改采覆晶(Flip-Chip,也称:倒晶)方式镶嵌(mount)。
先说明基板部分,基板的材料并不是说换就能换,必须能与裸晶材料相匹配才行,现有AlGaInP常用的基板材料为GaAs、Si,InGaN则为SiC、Sapphire(并使用AlN做为缓冲层)。
为了强化LED的散热,过去的FR4印刷电路板已不敷应付,因此提出了内具金属的印刷电路板,称为MCPCB,运用更底部的铝或铜等热传导性较佳的金属来加速散热,不过也因绝缘层的特性使其热传导受到若干限制。
对光而言,基板不是要够透明使其不会阻碍光,因此再加入一个DBR反射层来进行反光。而Sapphire基板则是可直接反光,或透明的GaP基板可以透光。
除此之外,基板材料也必须具备良好的热传导性,负责将裸晶所释放出的热,迅速导到更下层的散热块(HeatSlug)上,不过基板与散热块间也必须使用热传导良好的介接物,好因应从p-n接面开始,传导到裸晶表面的温度。
除了强化基板外,另一种作法是覆晶式镶嵌,将过去位于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,此种散热法不仅用在LED上,现今高热的CPU、GPU也早就实行此道来加速散热。
从传统FR4PCB到金属的MCPCB
将热导到更下层后,就过去而言是直接运用铜箔印刷电路板(PrintedCircuitBoard;PCB)来散热,也就是常见的FR4印刷电路基板,然而随着LED的发热愈来愈高,FR4印刷电路基板已逐渐难以消受,理由是其热传导率不够(仅0.36W/m.K)。
MCPCB是指金属基印刷电路板(MetalCorePCB,MCPCB),即是将原有的印刷电路板附贴在另外一种热传导效果更好的金属上,可改善电路板层面的散热。不过,MCPCB也有些限制,在电路系统运作时不能超过140℃,这个主要是来自介电层(DielectricLayer,也称InsulatedLayer,绝缘层)的特性限制,此外在制造过程中也不得超过250℃?300℃,这在过锡炉时前必须事先了解。MCPCB虽然比FR4PCB散热效果佳,但MCPCB的介电层却没有太好的热传导率,散热块与金属板间的传导瓶颈。但还是比FR4PCB好些,现有MCPCB已可达到3W/m.K,而FR4仅0.3W/m.K.,所以才称为「MetalCore」,MCPCB的热传导效率就高于传统FR4PCB,达1W/m.K~2.2W/m.K.
不过,MCPCB也有些限制,在电路系统运作时不能超过140℃,这个主要是来自介电层(DielectricLayer,也称InsulatedLayer,绝缘层)的特性限制,此外在制造过程中也不得超过250℃;300℃,这在过锡炉时前必须事先了解。
IMS强化MCPCB在绝缘层上的热传导
MCPCB虽然比FR4PCB散热效果佳,但MCPCB的介电层却没有太好的热传导率,大体与FR4PCB相同,仅0.3W/m.K,成为散热块与金属板间的传导瓶颈。
为了改善此一情形,有业者提出了IMS的改善法,将高分子绝缘层及铜箔电路以环氧方式直接与铝、铜板接合,然后再将LED配置在绝缘基板上,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倍的传导效率。
更进一步的,若绝缘层依旧被认为是导热性不佳,此作法很耐人寻味,因为过去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,如今却是为散热设计而凿。
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