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。
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年第一个商业化的led开始算,在这30多年的发展中,led约每18~24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。
Haitz定律可说是led领域界的moore定律,根据roland haitz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(2003年~2013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(thermal resistance)为360℃/w,之后降至125℃/w、75℃/w、15℃/w,而今已是到了每颗6~10℃/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℃。
MCPCB散热技术
过去,LED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。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夹层的印刷电路板(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metal core,MCPCB的热传导效率就高于传统fr4 pcb,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(dielectric layer,也称insulated layer,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的改进
目前,有业者提出了IMS(insulated metal substrate,绝缘金属基板)技术以改善MCPCB的散热效果,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,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,使其直接与核心金属接触,以此加速散热。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。
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),或是金属复合材料基板。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,其中直接铜接合基板更允许制程温度、运作温度达800℃以上,不过这些技术都有待更进一步的成熟观察。
产品实例:莱尔德科技T-lam SS LLD MCPCB
莱尔德科技公司(Laird Technologies)2008年2月25日推出了新的T-lam SS LLD,这是一种含金属夹层的印刷电路板(MCPCB),用于发光二极管应用系统。使用这种环保型层压板时,明亮和超亮的LED发光器能够更亮、发光更长久、更加均匀一致。新的T-lam SS LLD有一层铜电路层和铝基板,它与T-lam LLD电介质粘结在一起。T-lam LLD层压板是用标准的电路板制造和装配工艺制造而成的。
LED发光器装在用T-lam LLD设计的电路板上,可以延长LED发光器的寿命,而且电路板的散热路径均匀一致,因而LED发光条模组发出的光均匀一致。由于电介材料的独特微结构,发光条组装件能够经受住几千次热膨胀系数失配所引起的热循环。
T-lam SS LLD是用于LED照明系统的理想材料,特别适合电视机和监视器使用的LED背光模组,并且适合路灯、商业大厦的安全照明和一般的照明使用的发光器。