从传统FR4PCB到金属核心的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(Printed Circuit Board;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)。
为了改善电路板层面的散热,因此提出了所谓的金属核心的印刷电路板(Metal Core PCB;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(如:铝、铜),以此来强化散热效果,而这片金属位在印刷电路板内,所以才称为「MetalCore」,MCPCB的热传导效率就高于传统FR4PCB,达1W/m.K2.2W/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。
附注:虽然铝、铜都是合适的热导热金属,不过碍于成本多半是选择铝材质。
80年代初,随着计算机的发展,CGA显示方式问世了,它有320*200的分辨率四种颜色,在短短的10年中显示方式已经经历了CGA、EGA、SEGA、VGA、SVGA,向超高分辨率发展,显示精度从320*200发展到1600*1250,由四种颜色到32位真彩,扫描频率从15.7K发展到150K。显示器的工作原理是接收主机发出的信号还原成光的形式显示出来,随着发展人们需要一种大屏幕的设备,于是便出现呢类似于投影仪之类的显示设备。但是,由于其自身亮度的原因而无法在高亮度环境下使用,于是便又出现了LED显示器(屏),LED显示屏具有可视角度大、亮度高、色彩艳丽等特点。随着科技技术的发展,LED显示屏的应用已经十分广泛,比如在体育场馆、高速公路、大型商场、户外广告宣传等场所都应用到呢LED显示屏。
过去LED只能拿来做为状态指示灯的时代,其封装散热从来就不是问题,但近年来LED的亮度、功率皆积极提升,并开始用于背光与电子照明等应用后,LED的封装散热问题已悄然浮现。
上述的听来有些让人疑惑,今日不是一直强调LED的亮度突破吗?2003年Lumileds Lighting公司Roland Haitz先生依据过去的观察所理出的一个经验性技术推论定律,从1965年个商业化的LED开始算,在这30多年的发展中,LED约每18个月24个月可提升一倍的亮度,而在往后的10年内,预计亮度可以再提升20倍,而成本将降至现有的1/10,此也是近年来开始盛行的Haitz定律,且被认为是LED界的Moore(摩尔)定律。
依据Haitz定律的推论,亮度达100lm/W(每瓦发出100流明)的LED约在2008年2010年间出现,不过实际的发展似乎已比定律更超前,2006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。
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℃/W10℃/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℃。
散热问题不解决有哪里些?
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(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的散热我们同样从核心处逐层向外讨论,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(ExternalQuantum Efficiency;EQE)的低落。
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,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%(淡为低,橘红)。
由于增加光取出率(Extraction Efficiency,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,而关于光取出率的提升请见另一篇专文:高亮度LED之「封装光通」原理技术探析。在此不再讨论。
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