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      高功率LED散熱限制與改良設計關鍵

      編輯:chinafpd 2010-07-12 15:31:24 瀏覽:1546  來源:

        發光二極管(LED)由于發光原理的差異,明顯異于一般燈具的發光技術,因此具備低能耗、省電、壽命長與耐用等優點,在各方強調“節能”的應用大前提下,LED用于取代傳統光源的應用方式,自然而然成為業者看好的發光技術,成為極具未來發展前景的照明光源。然而,LED為點狀光源,其發光過程所產生的熱源全部集中在單一點,而隨著功率增加、LED所產生廢熱無法有效散出,將導致發光效率下降,改善散熱效率為發展生活照明應用的重要關鍵。

        LED使用壽命一般定義為當LED發光效率低于70%,即可視為LED壽命達到更換的程度,一般LED的發光效率會隨使用時間增長與應用次數增多而持續降低,至于過高組件與接面溫度,也會加速LED發光效率衰減。

        為達到提升發光效能,常見也有將多晶粒置于單LED組件的制作方式,更考驗其散熱設計

        LED芯片技術日益成熟,觀察單一LED的芯片輸入功率,目前已可達5W或更高狀態,雖說如此畢竟應用溫度過高也會加速產品老化,一般的作法是透過主、被動冷卻手段,防止LED工作溫度持續增高,若不能有效將芯片接面與本體的熱散出,組件本身所產生熱效應會變得越來越顯著,即先前提到的加速組件衰竭、減少壽命的使用問題,當接面溫度升高也會影響芯片產生亮度,溫度升高也會使發射光譜產生紅移、色溫品質下降。

        LED的p-n接面溫度 影響發光效果甚巨

        當LED發光二極管的p-n接面,溫度(Junction Temperature)達25℃的典型工作溫度時,此時LED的亮度定義為100,若溫度升高至75℃狀態,亮度會持續遞減至80,若持續加溫至組件至125℃,發光亮度可能僅達到60以下!接面溫度與發光亮度呈反比線性關系相當明確。

        接面溫度除影響照明品質,組件的高溫也會對使用壽命產生極大影響,一般而言,溫度與亮度的相關性為線性遞減,但相對于“壽命”,其影響卻是呈現指數遞減狀態,影響的層面更為顯著。

        同樣采接面溫度為分析比較的基礎,若組件持續40~50℃則LED可達到20,000小時運作壽命,若組件溫度為60~75℃測試結果會僅剩10,000小時使用壽命,再將組件的環境與接面溫度提升至100℃以上,組件壽命會僅剩5,000小時!組件與環境溫度會大幅影響LED使用壽命的結果相當顯著。

        針對LED發熱單點進行高效散熱

        即便LED本身在中、低功率應用,整體的發熱問題不大,但若自組件的尺寸去算算發熱量,會發現LED工作中所產生的熱量,相較眾傳統光源的發熱問題,并不遑多讓。一般而言,組件的熱傳遞路徑主要可分為三種型態,分別為 熱輻射傳遞(radiation heat transfer)、熱傳導傳遞(conduction heat transfer)、熱對流傳遞(convection heat transfer),LED在三種熱傳導方式作用方式差異相當大,可從空氣中散逸或直接由基板導出、或經由金線傳導熱能。

        LED各部位熱流量所占比例,其中以鋁基板(MCPCB)和電極引腳(Lead)所占熱流比例最大,由于LED接面溫度較其它光源溫度低許多,故熱能無法以輻射模式與光一同射出去,所以LED有大約90%之多余熱以熱傳導方式向外擴散,在高電流強度作用下,LED芯片接面溫度升高,需要有良好的LED 封裝及模塊設計,來提供LED適當熱傳導途徑,以降低接面溫度。

        不過,雖然知道LED高度依賴傳導散熱,但LED的封裝等特性也讓傳導成了散熱的大瓶頸,如何克服是許多專家研究的重要目標,如根據「Thermal Analysis of Filp-Chip Packaged 280nm Nitride-Based Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes」仿真分析之結果顯示,散熱的瓶頸確實在于LED接面面積,LED接面面積過小,相對其接面熱通量變相當大,則以熱傳導為主的LED封裝體較不易迅速地將熱導出。

        使用高散熱性基板 散熱效果好但成本高

        ......

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