高亮度LED之“封裝熱導”原理技術探析 -散熱風扇的影響之一

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高亮度LED之“封裝熱導”原理技術探析 散熱風扇的影響
 
  前言:過去LED只能拿來做為狀態指示燈的時代,其封裝散熱從來就不是問題,但近年來LED的亮度、功率皆積極提升,并開始用于背光與電子照明等應用后,LED的封裝散熱風扇問題已悄然浮現。

  上述的講法聽來有些讓人疑惑,散熱風扇今日不是一直強調LED的亮度突破嗎?2003年Lumileds Lighting公司Roland Haitz先生依據過去的觀察所理出的一個經驗性技術推論定律,從1965年首先個商業化的LED開始算,在這30多年的發展中,LED約每18個月24個月可提升一倍的亮度,而在往后的10年內,預計亮度可以再提升20倍,而成本將降至現有的1/10,此也是近年來開始盛行的Haitz定律,且被認為是LED界的Moore(摩爾)定律。

  依據Haitz定律的推論,亮度達100lm/W(每瓦發出100流明)的LED約在2008年2010年間出現,散熱風扇不過實際的發展似乎已比定律更超前,2006年6月日亞化學工業(Nichia)已經開始提供可達100lm/W白光LED的工程樣品,預計年底可正式投入量產。

  備注:Haitz定律可說是LED領域界的Moore定律,根據Roland Haitz的表示,過去30多年來LED幾乎每1824個月就能提升一倍的發光效率,也因此推估未來的10年(2003年2013年)將會再成長20倍的亮度,但價格將只有現在的1/10。
  不僅亮度不斷提升,散熱風扇LED的散熱技術也一直在提升,1992年一顆LED的熱阻抗(Thermal Resistance)為360℃/W,之后降至125℃/W、75℃/W、15℃/W,而今已是到了每顆6℃/W10℃/W的地步,更簡單說,以往LED每消耗1瓦的電能,溫度就會增加360℃,現在則是相同消耗1瓦電能,溫度卻只上升6℃10℃。
  少顆數高亮度、多顆且密集排布是增熱元兇
  既然亮度效率提升、散熱效率提升,那不是更加矛盾?應當更加沒有散熱問題不是?其實,應當更嚴格地說,散熱風扇問題的加劇,不在高亮度,而是在高功率;不在傳統封裝,而在新封裝、新應用上。
  首先,散熱風扇過往只用來當指示燈的LED,每單一顆的點亮(順向導通)電流多在5mA30mA間,典型而言則為20mA,而現在的高功率型LED(注1),則是每單一顆就會有330mA1A的電流送入,「每顆用電」增加了十倍、甚至數十倍(注2)。
  注1:現有高功率型LED的作法,除了將單一發光裸晶的面積增大外,散熱風扇也有采行將多顆裸晶一同封裝的作法。事實上有的白光LED即是在同一封裝內放入紅、綠、藍3個原色的裸晶來混出白光。
  注2:雖然各種LED的點亮(順向導通)電壓有異,但在此暫且忽略此一差異。
  在相同的單顆封裝內送入倍增的電流,發熱自然也會倍增,如此散熱情況當然會惡化,但很不幸的,由于要將白光LED拿來做照相手機的閃光燈、要拿來做小型照明用燈泡、要拿來做投影機內的照明燈泡,如此只是高亮度是不夠的,還要用上高功率,這時散熱就成了問題。
  上述的LED應用方式,僅是使用少數幾顆高功率LED,閃光燈約14顆,照明燈泡約18顆,投影機內10多顆,不過閃光燈使用機會少,點亮時間不長,單顆的照明燈泡則有較寬裕的周遭散熱空間,而投影機內雖無寬裕散熱空間但卻可裝置散熱風扇。

  備注:圖中為InGaN與AlInGaP兩種LED用的半導體材料,在各尖峰波長(光色)下的外部量子化效率圖,雖然更理想下可逼近40%,但若再將光取效率列入考慮,實際上都在15%25%間,何況兩種材料在更高效率的部分都不在人眼感受性的范疇內,范疇之下的僅有20%。
  可是,現在還有許多應用是需要高亮度,但又需要將高亮度LED密集排列使用的,例如交通號志燈、訊息看板的走馬燈、用LED組湊成的電視墻等,密集排列的結果便是不易散熱,這是應用所造成的散熱問題。
  更有甚者,在液晶電視的背光上,既是使用高亮度LED,也要密集排列,且為了講究短小輕薄,使背部可用的散熱設計空間更加拘限,且若高標要求來看也不應使用散熱風扇,因為散熱風扇的吵雜聲會影響電視觀賞的品味情緒。所以選擇散熱風扇廠家的時候一定要選擇好的散熱風扇廠家,要好的散熱風扇!

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