高亮度LED應用中熱量管理問題解決方案

在全球性的能源短缺和環境污染加劇的今天，LED以其節能環保的特點有著廣闊的應用空間。LED燈具由LED器件、散熱結構、驅動器、透鏡組成。如果LED器件不能很好散熱、它的壽命也會受影響。根據Cree XLamp XR-E 的測試報告，LED器件溫度越低，越能延長LED燈的壽命。因此，解決熱量管理問題已成為高亮度LED應用中的關鍵。

不過，LED光源熱量的多少并不是影響LED的主要問題，熱量集中(從而形成熱點)才是問題的關鍵。對一般標準的LED器件而言，1W LED器件的熱通量大約為100W/cm2，3W LED器件的熱通量則高達300W/cm2，而一般的CUP的熱通量才為60~130W/cm2。熱量集中在尺寸很小的晶片內，晶片溫度升高，引起熱應力的分布不均勻、晶片發光效率和螢光粉發射效率下降。當溫度超過一定值時，器件失效率呈指數規律增加。當多個LED密集排列組成白光照明系統時，散熱問題就更嚴重了。

LED器件的散熱途徑主要是熱傳導和熱對流。傳統上，LED燈具的散熱結構包括基底、散熱片以及散熱器。基底將晶粒的熱能傳導出來，可以導熱但不導電。散熱片將熱擴散開來，以免熱堆積于LED 光源處，并且可以提升散熱器的效率。散熱器則可以熱有效地發散于空氣中。不過，基底材料極低的熱導率容易導致器件熱阻增加，產生嚴重的自加熱效應，對器件的性能和可靠性帶來毀滅性的影響。

Microloops(邁科)的均熱板(Vapor Chamber)能實現超高熱流密度傳熱，可解決高功率LED的熱點問題。均熱板是一個內壁具微結構的真空腔體，當熱由熱源傳導至蒸發區時，腔體里面的工質會在低真空度的環境中，便會開始產生液相氣化的現象，此時介質吸收熱能并且體積迅速膨脹，氣相的介質會很快充滿整個腔體。當氣相介質接觸到一個比較冷的區域時便會產生凝結的現象，藉由凝結的現象釋放出在蒸發時累積的熱，凝結后的液相介質會藉由微結構的毛細現象再回到蒸發熱源處。此運作將在腔體內周而復始進行，這就是均熱板的運作方式。由于工質在蒸發時微結構可以產生毛細力，所以均熱板的運作可不受重力的影響。

圖1給出了采用均熱板的LED燈的散熱結構，它去掉了基底，減少一大部分熱阻。 LED器件可以緊密排列并直接綁定在均熱板上，并以標準打線封裝機臺直接封裝LED器件及相關電路，構建成一個獨立光源。

這種將LED器件直接綁定在均熱板上的方法有明顯的好處。LED器件的下方與均熱板接觸，可以通過均熱板把點熱源擴散并可有效地將熱傳遞至后端，從而降低熱點囟Tj，提高LED壽命。此外，這種方法還可集中擺放LED器件，讓光源集中，有利二次光學設計。而采用SMD封裝的均熱板還可以使用SMD自動化設備進行大批量生產。

圖2給出了采用均熱板的高功率LED燈(將總功率為50W的多個LED直接綁定在均熱板)與采用銅基底的同樣功率LED燈的溫度對比。

圖2：采用均熱板(VC)和采用銅基底(Cu)的高功率LED燈的溫度對比。

除了應用在高功率LED路燈外，目前均熱板解決方案還主要用在功率半導體冷卻、刀片服務器、圖形顯示卡、電信基礎設施、功放、雷達發射模塊、衛星和筆記本電腦上。邁科的均熱板的尺寸和形狀可定制，其最低熱阻已低至每瓦0.05度，厚度小于3mm。該公司還開發了能處理300W熱功率以上的均熱板來解決高端圖像卡的散熱問題。超薄設計可提供3.0mm厚度均熱板可為單插槽圖像卡提供150W的散熱能力。