LED背光照明与散热技术

  依据过去30年LED发展观察,Lumileds Lighting公司的Roland Haitz先生于2003年归纳出LED界的Moore(摩尔)定律-Haitz定律(如图1所示),说明LED约每18~24个月可提升一倍

的亮度,以此定理推估10年内LED亮度可以再提升20倍,而成本将可降90%以达到可完全取代现有照明技术,因此LED照明于近几年火热的被重视与探讨。

   LED 背光照明
LED因耗电低、不含汞、寿命长、体积小、降低二氧化碳排放量等优势吸引国内、外厂商极力推广取代现有照明。 LED主要照明可分为显示背光、车用照明、交通号志与室内室外照明,而背光模组于2009年被广泛的应用于笔记型电脑面板上,此后亦逐渐被使用到家用电视机,其约占了50%之面板模组零组件制造成本与消耗约70%显示器之电能,故背光照明为显示面板最重要的关键。 然液晶显示器无法自行发光,因此需要背光模组作为光线的来源,所以背光源的好坏会影响显示的效果甚剧。 加上面板需薄型化的因素,因此多以CCFL灯管作为背光源,而LED背光源比起CCFL有演色性佳、寿命长、反应速度快等优势。再加上近年来由于全球提倡环保议题,各国政府的禁汞环保政策,如欧盟的WEEE与RoHS指令与中国的电子信息产品生产污染防治管理办法等陆续推行,也驱使小体积封装之LED成为替代CCFL的最佳无汞灯源。 又由于LED单位成本发光效率持续快速成长中,使得LED成本跌幅扩大,缩小了CCFL与LED的价差,也促使面板厂商开始大幅导入LED于背光模组。

  LED的散热问题
目前提高LED亮度有两种方式,分别为增加晶片亮度以及多颗密集排列等方式,这些方法都需输入更高功率之能量,而输入LED的能量,大约20%会转换成光源,剩下80 %都转成热能,然在单颗封装内送入倍增的电流,发热自然也会倍增,因此在如此小的散热面积下,散热问题会逐渐恶化。 此封装如仅应用在只使用1~4颗LED的散光灯,散光灯点亮时间短暂,故热累积现象不明显;如应用在液晶电视的背光上,既使使用高亮度LED,也要密集排列并长时间点亮,因此在有限的散热空间内难以适时的将这些热排除于外。
但很不幸的,产生的热,对晶粒是很严重的问题。 当晶粒介面温度升高时,量子转换效率导致发光强度下降,且寿命也会跟着下降;放射波长改变,使得色彩稳定性降低;受热时因不同材质的膨胀系数不同,会有热应力累积使产品可靠性降低,使用年限也会降低。 因此,散热是高功率LED极需解决的重要问题。

  基本热力学
传统光源白炽灯有73%以红外线辐射方式进行散热,在周围可以感受到高温高热,所以灯泡本体热累积现象轻微,而LED产生的光,大多分布在以可见光或紫外光居多,不能以辐射方式帮助散热,又因LED封装面积较小,难以将热量散出,导致LED照明品质有很大的问题产生,由此得知LED热能问题是目前急待被解决。
在讨论LED热管理的议题前,首先要先了解基本热力学。 基本上散热有3种方式,分别为“传导式散热”、“对流式散热”以及“辐射式散热”,从以上三者的理论公式可以分析出,散热最主要问题点就在“面积”;另外,由于因辐射在接近室温情况下散热量非常小,所以最主要讨论的散热方式在传导和对流两方面。

  了解散热之前还要知道热欧姆定理,传统的电流欧姆定理:V=IR,压降=电流×电阻,电阻愈大,压降就愈大,表示电压在元件中消耗量愈大;同样的,热欧姆定理:ΔT=QR,温差=热流×热阻,当热阻愈大时,就有愈多的热残留在元件内,这说明了散热效果要越好,热阻就要越低。 热欧姆定理是以热阻(Thermal resistance)将热传以物理量量化,计算方式为LED介面温度与室温的温差除以单位输入功率。 简单来说,如热阻为10℃/W,表示每输入1W的能量会是LED上升10℃。

  结论:随着大尺寸薄型化LED TV的市场需求逐年增加,其所需背光源的亮度也随之增加,导致大量的高功率LED须于狭小电视筐体中紧密排列,使得高效率散热基板的需求愈来愈大,因此由大毅科技坚强的技术团队于2010年所研发出的以DPC基板技术大量生产的陶瓷散热基板,将满足日益扩大的LED TV背光模组散热需求。


 

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