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大流明LED街燈的新散熱解決方案

發(fā)布時間:2012-02-03

中心議題:

  • 大流明LED街燈的新散熱解決方案

解決方案:

  • 慎選散熱基板材質(zhì)及導(dǎo)熱膠
  • 倒裝片和共晶可有效降低熱阻
  • 風(fēng)扇散熱
  • 向下散熱、強制散熱及液態(tài)散熱等新散熱技術(shù)
  • 散熱模塊漆料選擇
  • 提高LED轉(zhuǎn)換效率


受限于技術(shù),LED目前的轉(zhuǎn)換效率仍為兩成左右,也就是說有高達八成的電能會轉(zhuǎn)換成熱能,因此散熱問題始終是LED照明面臨的重要挑戰(zhàn)。尤其LED發(fā)光熱能是集中于小范圍,因此在電力輸入功率較大的路燈應(yīng)用中,LED接口溫度相當(dāng)高,再加上路燈為長時間持續(xù)工作,熱能的產(chǎn)生更為可觀,因此若散熱模塊不能有效散熱,LED街燈便會出現(xiàn)嚴(yán)重的光衰現(xiàn)象,導(dǎo)致使用壽命大幅縮短。隨著中國大陸近年力推"十城萬盞"半導(dǎo)體照明應(yīng)用工程政策,LED街燈裝設(shè)數(shù)量迅速增多,LED街燈光衰問題更為突顯。

LED光衰現(xiàn)象和散熱效能息息相關(guān),為有效達成散熱目的,相關(guān)業(yè)者紛紛循各種途徑尋求解決之道。就整體的散熱設(shè)計來看,散熱基板材料與LED晶粒封裝方式極為關(guān)鍵。首先,LED散熱基板的運作方式為利用散熱基板材料本身的熱傳導(dǎo)性,將熱源從LED導(dǎo)出,而從LED散熱途徑來看,又可將LED散熱基板細(xì)分為LED晶?;迮c系統(tǒng)電路板兩大類,此兩種散熱基板分別承載著LED晶粒與LED芯片。其中,LED晶粒基板主要是作為將LED晶粒的熱能傳導(dǎo)至系統(tǒng)電路板的的媒介;系統(tǒng)電路板則是負(fù)責(zé)將熱能傳導(dǎo)至散熱鰭片、外殼或大氣中的材料。

慎選散熱基板材質(zhì)及導(dǎo)熱膠

璦司柏電子工程師游慧茹指出,在系統(tǒng)電路板散熱這個部分,早期LED產(chǎn)品的系統(tǒng)電路板多以PCB為主,但隨著LED街燈應(yīng)用等高功率LED需求的增加,PCB材料的散熱能力不足以應(yīng)付,因此業(yè)界已發(fā)展出高熱導(dǎo)系數(shù)鋁基板(MCPCB),主要是利用金屬材料散熱較佳的特性達到高功率產(chǎn)品散熱的目的。

除了散熱基板的材料需要注意外,鋁基板黏合使用的導(dǎo)熱膠也必須慎選。冠品化學(xué)研發(fā)部副總經(jīng)理葉圣偉博士指出,部分廠商以為導(dǎo)熱膠膜或?qū)崮z墊越厚越好,卻忽略越厚則熱阻越大。再者,導(dǎo)熱膠膜或軟質(zhì)導(dǎo)熱墊片并無法與基板真正密合,存在于貼合面的許多孔隙是另一種形式的熱阻質(zhì)。綜合這些因素,散熱導(dǎo)熱的效率將有所降低,需用對導(dǎo)熱膠才能降低熱阻。

他指出,網(wǎng)印施工的軟陶瓷導(dǎo)熱膠為軟質(zhì)半液態(tài),在網(wǎng)印機刮刀涂布于鋁基板時,導(dǎo)熱粒子會滲入基板表面的孔隙并予以填滿,進而形成完全平整且無孔隙的平面,與LED晶粒載板黏合時會完全密合,如此就能減少熱阻,熱度可迅速被傳導(dǎo)出去,LED晶粒環(huán)境溫度隨之降低,LED街燈的光衰現(xiàn)象自然得以延緩發(fā)生。他并強調(diào),網(wǎng)印施工的軟陶瓷導(dǎo)熱膠具有延展性,在高溫烘烤或回焊時,會隨著鋁基板的熱脹冷縮一起變化,應(yīng)力非常小,因此不會造成鋁基板彎曲,甚至是爆板。

不過,游慧茹特別指出,盡管系統(tǒng)電路板能將LED芯片所產(chǎn)生的熱有效散熱至大氣環(huán)境,但是首先是LED晶粒所產(chǎn)生的熱能必需有效的從晶粒傳導(dǎo)至系統(tǒng)電路板,否則,隨著LED功率的提升,整體LED的散熱瓶頸將出現(xiàn)在LED晶粒散熱基板。目前市面上LED晶?;逯饕蕴沾苫鍨橹?,依線路備制方法不同略可區(qū)分為厚膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷,以及薄膜陶瓷基板三種,其中薄膜陶瓷基板為相對較新的技術(shù),可有效滿足倒裝片(Flip Chip)封裝方式所要求的布線精確度與燒結(jié)收縮比例問題。

倒裝片和共晶可有效降低熱阻

上述倒裝片封裝方式為現(xiàn)階段降低LED熱阻的重要技術(shù)趨勢。除能降低熱阻外,倒裝片封裝LED擁有顏色與光一致性優(yōu)勢,而這是下游系統(tǒng)商采購LED的關(guān)鍵指標(biāo),因此吸引不少LED業(yè)者投入開發(fā),包括Philips Lumileds、科銳、歐司朗光電半導(dǎo)體(OSRAM Opto Semiconductors)及美商旭明光電(SemiLEDs)。據(jù)了解,Philips Lumileds是采用金錫共融焊錫(AuSn Eutectic Solder)的方式,在假設(shè)該方案金錫覆蓋面積達25%的情況下,熱阻可達0.16℃/W.科銳、歐司朗光電半導(dǎo)體(OSRAM Opto Semiconductors)及美商旭明光電(SemiLEDs)則分別采用硅(Si)、銅(Cu)基板開發(fā)垂直式芯片。

Philips Lumileds臺灣資深技術(shù)支持經(jīng)理黃珩春強調(diào),倒裝片封裝與傳統(tǒng)綁晶封裝制程所使用的機臺不同,再加上設(shè)備投資金額偏高,以及缺乏專利技術(shù),因此現(xiàn)階段實際有能力出貨的LED廠商寥寥可數(shù)。他并指出,Philips Lumileds已發(fā)表可實現(xiàn)掙脫分檔藩籬(Freedom From Binning)理念的倒裝片封裝技術(shù)LED系列產(chǎn)品,結(jié)合該公司專有的薄型倒裝片(TFFC)技術(shù)和Lumiramic熒光粉片技術(shù),達成LED光與顏色的一致性。

另外,在降低LED晶粒熱阻方面,值得注意的還有共晶(Die Bonding)技術(shù)的選擇。根據(jù)大毅科技LED散熱研發(fā)團隊指出,現(xiàn)有的固晶方式主要有銀膠固晶及共晶(Eutectic)焊接法兩種,前者較常見但僅適用于低功率模塊,共晶焊接法則不但可提高固晶強度及導(dǎo)熱系數(shù),還可配合倒裝片技術(shù)將LED晶粒整體熱阻下降到銀膠制程的20-40%.

高亮度LED共晶制程多以8:2比例的金錫合金(Au-Sn Alloy)作為芯片底部焊料,再將芯片放置于鍍有金或銀的基板上,加熱至共晶溫度,使基板表面的金或銀與金錫合金相互擴散,進而改變合金成份以提高融點,使共晶結(jié)構(gòu)固化以達到固晶的目的,利用此方法所固晶的芯片推力遠(yuǎn)大于使用銀膠固晶,因此應(yīng)用于高功率LED時會有更佳的可靠度表現(xiàn)。

然而共晶技術(shù)的操作溫度高達320℃,需特別考慮選用芯片、基板等材料耐熱程度。此外,芯片下平整的金錫合金層只有3μm厚,所以除了共晶固晶機臺需要有高位置精度外,另一重要固晶條件就是基板表面粗糙度(Ra)與高低差(PV)要低,針對這些需求,大毅科技已導(dǎo)入拋光技術(shù),成功制造出適合共晶的散熱陶瓷基板,以協(xié)助廠商封裝出更加穩(wěn)定的高功率LED產(chǎn)品。
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風(fēng)扇散熱具成本優(yōu)勢

接下來談到LED街燈模塊的散熱,相關(guān)解決方案相當(dāng)多元,可概分為散熱鰭片、導(dǎo)熱塑料殼、風(fēng)扇、導(dǎo)熱管、表面輻射散熱處理及自然對流散熱等。其中,又屬散熱片及高速風(fēng)扇是最常見的處理方式。針對風(fēng)扇散熱方式,傳祥微電機營銷中心市場開發(fā)部項目經(jīng)理王百韜表示,風(fēng)扇在價格與性能上較具競爭力。他指出,傳祥微電機幾年前就已成功進入LED路燈市場,并應(yīng)用在多起國際性路燈標(biāo)案中,因此相關(guān)用技術(shù)已相當(dāng)成熟。而除了精進驅(qū)動馬達效能并改善風(fēng)扇本身軸承的材質(zhì)外,未來傳祥將朝著高壽命、低噪音、高可靠度的研發(fā)方向前進。

不過,隨著LED照明應(yīng)用的光輸出不斷提高,導(dǎo)致熱流密度不斷增加,單位時間內(nèi)需要冷卻的熱量也越來越大,而散熱片及高速風(fēng)扇等散熱方案若要維持一貫的散熱效率,勢必要越做越大,并不適用于小空間應(yīng)用,于是便給了其它散熱方案的崛起空間,例如Nuventix采用Synthetic Jet原理制造的SynJet(合成噴氣)產(chǎn)品。

新散熱技術(shù)可快速大量散熱

根據(jù)Nuventix所提供的資料指出,由Nuventix開發(fā)的SynJet組件采用基于空氣的合成射流冷卻新技術(shù),該技術(shù)利用電磁執(zhí)行器產(chǎn)生的湍氣流脈沖,也就是通過強制對流換熱的高效散熱能力快速帶走熱量,可降低LED芯片的溫度并縮減散熱器的體積及重量。

另外,LED街燈制造業(yè)者鑫源盛科技(TTiC)則是采用超導(dǎo)熱散熱技術(shù)開發(fā)出向下散熱、強制散熱及液態(tài)散熱三大技術(shù),有效解決LED因散熱而產(chǎn)生光衰的問題。其中,強制氣冷方法是采用高信賴性動力氣流風(fēng)扇驅(qū)動,達成0.08℃/W超低熱阻及50,000小時長壽命低光衰。液態(tài)冷卻方法為采用燈體與散熱結(jié)構(gòu)分離方法,將熱源導(dǎo)至外部環(huán)境。向下散熱方法中的熱交換散熱結(jié)構(gòu)為向下朝向地面,可完全避免落塵堆積導(dǎo)致毀損。

鑫源盛副董事長管新寧表示,在該公司的各種散熱技術(shù)中,向下散熱專利技術(shù)已廣泛應(yīng)用于LED街燈上,廣受世界各國青睞,包括日本、歐美大國與開發(fā)中國家的政府單位皆前來采購下單。管新寧進一步說明,該向下散熱專利技術(shù)可有效避免"落塵"的影響,進而降低LED街燈產(chǎn)品維修保養(yǎng)成本并延長產(chǎn)品壽命。管新寧強調(diào),鑫源盛LED街燈已通過美國最具權(quán)威的產(chǎn)品安全檢測和認(rèn)證組織UL檢測,并已完成全球?qū)@a(chǎn)權(quán)布局,成功獲得PCT143國專利優(yōu)先權(quán),確立產(chǎn)品設(shè)計的規(guī)格指針,并達成完善的產(chǎn)品可靠度、信賴性的實裝妥善率統(tǒng)計。

鑫源盛在臺灣能源局的示范案中,已成功安裝超過兩萬盞LED街燈,此外在中國的道路工程更已安裝超過三萬盞的LED街燈。鑫源盛預(yù)估,該公司未來亞洲地區(qū)會有超過50%的成長率,全球?qū)⒂谐^70%的成長率。鑫源盛目前主攻公共工程與商業(yè)照明兩大塊,主力產(chǎn)品為S系列的LED街燈及P系列的LED投光燈,都以大瓦數(shù)應(yīng)用為主。其最早安裝的實績至今已六年,截至目前沒有任何故障維修,光衰值更小于3%,燈具效能表現(xiàn)相當(dāng)優(yōu)異。事實上,鑫源盛為臺灣首家在2007年就通過政府驗收合格的LED街燈廠商;并已在2010年底前通過多項安規(guī)及質(zhì)量認(rèn)證,包括UL、CE、CNS、C-Tick、PSE之檢測及ISO 9001和ISO 14001的品質(zhì)認(rèn)證。

散熱模塊漆料攸關(guān)散熱效果

最后,關(guān)于LED街燈的散熱,還有一個較不為眾人所討論但頗為關(guān)鍵的部分,就是燈具散熱模塊外的烤漆。針對此,冠品化學(xué)研發(fā)部副總經(jīng)理葉圣偉博士表示,LED街燈的使用環(huán)境為戶外,會受到環(huán)境氣候的干擾,為解決此問題,廠商或是以陽極處理保護LED街燈散熱器外殼,或是加噴烤漆,以避免酸堿物質(zhì)侵蝕。然而陽極處理壽命不長,日后會出現(xiàn)氧化變色的現(xiàn)象;烤漆保護成本則較低且保護效果也好,然而一般烤漆不具備散熱功能,反而會將熱能封鎖在散熱器內(nèi),導(dǎo)致LED發(fā)光功率降低,成為光衰的幫兇之一,而LED燈具軟陶瓷散熱漆正足以解決此問題。

LED燈具軟陶瓷散熱漆可直接噴涂于LED燈具外部,且適用于各種形狀的散熱結(jié)構(gòu),并可調(diào)整成不同色彩以因配合景觀設(shè)計需求。葉圣偉指出,噴涂式散熱漆內(nèi)的軟陶瓷粒子經(jīng)由奈米化處理,粒子相當(dāng)細(xì)微,不僅易于噴qiang操作,且能讓同一涂布面積上的導(dǎo)熱粒子多且密集,進而加大讓溫度揮發(fā)透散的面積,促使LED燈具的熱能可迅速傳導(dǎo)出去。

提升LED轉(zhuǎn)換效率為根本之道

LED街燈散熱方式多元,不過,解決光衰問題的最根本解決之道還在于提升LED芯片的轉(zhuǎn)換效率,高壓(HV)LED便是在此方面有所突破的新技術(shù)。晶元光電研發(fā)中心副總經(jīng)理謝明勛指出,高壓(HV)LED為新制程,是在單一芯片上置入LED矩陣,芯片上電流路徑較短,因此可減少奧姆損失(Ohmic Loss),且具備更高的光抽出效率(Extraction Efficiency),所以可提高光電轉(zhuǎn)換效率,進而降低散熱需求。他表示該公司高壓LED已打入飛利浦(Philips)LED照明的供應(yīng)鏈。據(jù)了解,除晶元光電外,包括億光電子、臺達電、齊瀚、葳天、南亞光電、迪源光電與連展科技等LED封裝、晶粒和燈具系統(tǒng)商已展開產(chǎn)品線、技術(shù)及市場部署。

業(yè)界估計,2020年LED轉(zhuǎn)換效率可以提升至50%,屆時LED的散熱問題已解決大半,不過,在此之前,LED街燈的散熱技術(shù)顯然仍有許多發(fā)揮空間,畢竟,唯有降低溫度,LED街燈產(chǎn)品的使用年限才得以增加,LED路燈始能進一步普及。

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