高亮度LED照明散熱設(shè)計及應(yīng)用

LED照明應(yīng)用，為達(dá)到接近原有替代光源的亮度要求，通常會采取以“量”取勝的設(shè)計方式，即在單位面積設(shè)計大量的LED發(fā)光元件，或是采取提升單一元件的發(fā)光效率進(jìn)行設(shè)計，但如此一來，即造成面狀或點狀的元件溫度亟需處理，而采取的散熱手段可用主動或被動設(shè)計進(jìn)行，尤其以主動式散熱的設(shè)計更為復(fù)雜，如何達(dá)到最佳化散熱設(shè)計去避免LED元件光衰影響壽命，是開發(fā)高亮度LED照明的重要關(guān)鍵...

圖1：LED條燈采富彈性、可撓性的塑膠材質(zhì)接合，可用于營造情境的輔助光源設(shè)計

圖2：LED燈泡可用電路空間有限，可利用整合電源IC與安全控溫晶片，縮減PCB尺寸，因應(yīng)極小化的設(shè)計需求。

因為LED固態(tài)照明與傳統(tǒng)光源的發(fā)光技術(shù)不同，所以更有環(huán)保、節(jié)能方面的多項優(yōu)勢，先觀察常見的日常照明光源，不外乎白熾燈與螢光燈，白熾燈基本上在發(fā)光效率表現(xiàn)即趨于劣勢，即便具備低成本與使用習(xí)慣已建立等優(yōu)勢，但在環(huán)保觀念抬頭的社會氛圍之下，已經(jīng)成為不環(huán)保、無效率的照明產(chǎn)品。 在螢光燈方面，雖然采高頻氣體放電的光電技術(shù)去達(dá)到省電效益，但實際上螢光燈管制程無法避免對環(huán)境有害的汞，在環(huán)保訴求上也不是最佳的光源選擇。

回到LED固態(tài)光源的發(fā)展上，早期LED多用于指示性光源，即信號燈、指示燈之類的中/低亮度、低功率驅(qū)動的光源應(yīng)用，因此無散熱方面的考量，一方面是指示用光源僅用以辨認(rèn)目前裝置的使用現(xiàn)況、開關(guān)狀態(tài)提示，并非針對照明用途，因為驅(qū)動功率不高自然也無明顯待解決的散熱問題。 但問題來了，高亮度LED的使用目的，多半是為了針對替代性環(huán)保光源而進(jìn)行開發(fā)，如此設(shè)計方式會造成諸多影響。

當(dāng)LED固態(tài)光源朝日常的照明應(yīng)用方向思考時，就會出現(xiàn)亮度不夠的問題，必須在LED元件上嘗試?yán)锰岣吖β试黾影l(fā)光效率、或是利用更多數(shù)量高亮度LED進(jìn)行模組化設(shè)計，讓光源具備照明應(yīng)用“高亮度”的要求。

圖3：加強(qiáng)燈具亮度最直接的方法，就是增加LED發(fā)光組件數(shù)量，這類燈具多采全金屬外殼制作，以利散熱處理。

發(fā)揮高效能、環(huán)保的照明效益散熱設(shè)計是一大關(guān)鍵

LED元件的核心設(shè)計，即是由一片LED晶粒利用加諸電壓使其產(chǎn)生發(fā)光結(jié)果，而與一般矽晶片類似，LED晶片也會因為長時間使用而產(chǎn)生光衰現(xiàn)象，多數(shù)設(shè)計方案為了提升元件發(fā)光亮度，多利用增加晶體的偏壓，即提升加諸于LED的電能功率，讓晶片能夠激發(fā)出更高的亮度，如此一來，加強(qiáng)LED功率也會使得晶體的光衰問題、壽命問題加速出現(xiàn)，甚至元件本身因強(qiáng)化亮度而產(chǎn)生的高溫，也會造成產(chǎn)品壽命的縮短。

當(dāng)單顆LED晶粒隨著亮度提升，單顆LED功耗瓦數(shù)也會由0.1W提高至1、3、甚至5W以上，而多數(shù)的LED光源模組實測分析，也會出現(xiàn)封裝模組的熱阻抗因增加發(fā)光效能而提升，一般會由250K/W至350K/W上下持續(xù)增加幅度。

圖4：目前單顆LED亮度持續(xù)提升，也有采取單顆LED高亮度光源、搭配簡化電源模塊的嵌燈設(shè)計。

而檢視測試結(jié)果會發(fā)現(xiàn)，LED也會有隨著“功率”增加、“使用壽命”減少的現(xiàn)象，會讓原本可能具有20,000小時使用壽命的LED光源元件，因為散熱影響，而降低到僅剩1,000小時的使用壽命。 尤其是當(dāng)元件在攝氏50度的運(yùn)作溫度下，均能維持最佳的20,000小時壽命，但當(dāng)LED元件運(yùn)行于攝氏70度的環(huán)境，平均壽命則降至10,000小時，若持續(xù)在攝氏100度環(huán)境下運(yùn)行，壽命會僅剩5,000小時。

LED模組設(shè)計的熱阻抗現(xiàn)況

除了關(guān)鍵元件LED易受溫度影響外，光源設(shè)計多半也采取模組化概念開發(fā)，甚至為了取代傳統(tǒng)光源，讓發(fā)光元件與電子電路只能在極小空間內(nèi)進(jìn)行整合，因為LED為DC直流驅(qū)動元件，多數(shù)燈具的連接電源為AC交流電源為主，為簡化LED光源的施作復(fù)雜度，目前的主流做法是直接將電源整流、變壓模組與LED發(fā)光元件進(jìn)行整合，但問題來了，因為可用的電路空間相對小很多，在裝置內(nèi)的對流空間相對變小的情況下，自然也無法得到較佳的散熱效果，也只能透過主動式強(qiáng)制散熱的相關(guān)對策，進(jìn)行模組的散熱處理。

若由熱阻抗模組觀察所制作的熱流模型，進(jìn)行LED晶粒預(yù)測接合點的溫度，接合點意指半導(dǎo)體的pn接合處，定義熱阻抗R為溫度差異與對應(yīng)之功率消散比值，而熱阻抗的形成因素相當(dāng)多，但透過熱流模型的檢視方式，可以更清楚確認(rèn)，熱的散逸處理方面，是因為哪些關(guān)鍵問題而降低其效率，可以從元件、組裝方式、基板材質(zhì)、結(jié)構(gòu)去進(jìn)行散熱改善工程。 一般LED固態(tài)光源的熱流模型，可以從幾個關(guān)鍵處來檢視。

圖5：高照明效果的天花板燈，其LED需高功率驅(qū)動發(fā)光，因此整合的電源模塊、散熱模塊成本也會較高。

例如，LED發(fā)光元件可以拆解為LED晶粒、晶粒與接腳的打線、封裝的塑料，再將觀察擴(kuò)及LED光源模組，即會有LED元件、接合的金屬接腳、Metal Core PCB (MCPCB)電路板、最后為散熱的鋁擠型散熱片等構(gòu)成，而熱流模型可以觀察有幾個串聯(lián)的熱流阻抗，例如結(jié)合點、乘載晶粒的金屬片、電路板與環(huán)境等，再檢視串聯(lián)阻抗的熱回路，試圖去發(fā)現(xiàn)散熱效率低下的問題癥結(jié)點。

再從模型去深入觀察，可以發(fā)現(xiàn)，從晶粒的接合點到整個外部環(huán)境的散熱過程，其實是由幾個散熱途徑去加總而成，例如，晶粒與乘載金屬片的材料特性、封裝LED晶粒材料的光學(xué)樹脂接觸與電路板材料熱阻特性、LED元件的表面接觸或是介于散熱用之鋁擠型散熱鰭片黏膠，乃至降溫裝置與空氣間的組合等，構(gòu)成整個熱流的散熱過程。

LED固態(tài)光源的散熱改善方式

LED固態(tài)光源的運(yùn)作溫度如何有效散逸，會影響整個光源應(yīng)用的照明效能、能源利用效能、裝置壽命等重要關(guān)鍵，而改善散熱的方式可自晶片層級的技術(shù)、封裝LED晶粒的技術(shù)、電路板層級的技術(shù)去進(jìn)行改善。

在晶片層級的散熱處理手段方面，由于傳統(tǒng)的晶片制法，多以藍(lán)寶石作為基板進(jìn)行設(shè)計，而藍(lán)寶石基板的熱傳導(dǎo)系數(shù)接近20W/mK，其實很難將LED磊晶產(chǎn)生的熱快速散出，目前主流的作法，在針對LED晶片級的散熱強(qiáng)化處理，尤其是針對高功率、高亮度的LED元件方面，為使用覆晶(Flip-Chip)的形式，有效利用覆晶將磊晶的熱傳導(dǎo)出來。

另也有一種方式，是采行“垂直”電極的方式去制作LED元件，由于LED元件上下兩端都設(shè)有金屬電極，此可在散熱的問題上得到更大的助益。 例如，采用GaN基板作為材料，由于GaN基板即為導(dǎo)電材質(zhì)，因此電極可以直接做在基板下方進(jìn)行連接，即可得到快速散逸磊晶溫度的效益，但這種作法因為材料成本較高，也會比傳統(tǒng)藍(lán)寶石基板作法的成本貴上許多，會增加元件的制作成本。

至于封裝層級的散熱強(qiáng)化作法則相當(dāng)多，此處列舉幾個常見的作法。 一般而言，LED制作過程，會利用光學(xué)等級的環(huán)氧樹脂來包住整個LED，借此來使得LED元件能在機(jī)械強(qiáng)度方面的表現(xiàn)更佳，甚至也可保護(hù)元件內(nèi)的相關(guān)線路，但環(huán)氧樹脂的作法雖可提升元件強(qiáng)度，卻同時限制了元件的溫度操作范圍，因為光學(xué)級的環(huán)氧樹脂于高溫下使用時，會因為高溫或是強(qiáng)光，讓環(huán)氧樹脂的光學(xué)特性劣化，甚至材質(zhì)本身也會造成劣化。

圖6：亮度強(qiáng)化的燈具，局部高溫問題也會加劇，必須搭配更強(qiáng)力的主動散熱技術(shù)因應(yīng)。

目前常見的封裝改善方式，僅有在多數(shù)中/低功率的LED元件才使用傳統(tǒng)的炮彈式封裝技術(shù)，在高亮度、高功率的LED元件方面，多數(shù)改用Lumileds Luxeon系列封裝法，將散熱路徑集中于下方的金屬，內(nèi)部的封裝改用光學(xué)特性和耐高溫、耐強(qiáng)光表現(xiàn)較優(yōu)異的矽樹脂去進(jìn)行封裝，此封裝法可獲得較佳的機(jī)械強(qiáng)度表現(xiàn)，同時其內(nèi)部對高溫、紫外線照射、高強(qiáng)度藍(lán)光LED有更強(qiáng)大的耐受能力。

在電路板層級的散熱改善方面，比較一般的作法即采FR4(PCB)制作，熱傳導(dǎo)性能中上表現(xiàn)的會采取金屬基PCB，如MCPCB、Integrated Metal Substrate(IMS)處理，進(jìn)階高效能熱傳導(dǎo)能力的會采取陶瓷基板(Ceramic)去制作。

一般FR4(PCB)具備低成本優(yōu)勢，但導(dǎo)熱效能相對較差，多用于低功率的LED裝載方面。 金屬基PCB(MCPCB、IMS)由于操作溫度高，例如MCPCB結(jié)構(gòu)由銅箔層、絕緣(介電)層、鋁基板構(gòu)成，一般銅箔層(電路)為1.0~4.0盎司、絕緣(介電)層為7.5um~150um、鋁基板(金屬核心)層厚度在1mm~3.2mm左右厚度，可用在攝氏140度環(huán)境下，但制作成本為中高價位。 陶瓷基板(Ceramic)的單價與成本更高，因為陶瓷的熱膨脹系數(shù)表現(xiàn)佳，可讓乘載的晶片更為匹配，但無法用在大面積的電路，對于LED光源應(yīng)用方面，多數(shù)僅用于承載LED元件的區(qū)塊電路使用，來提升熱傳導(dǎo)效率。

除前述常見乘載的電路板外，其實還有多款相對具較佳熱傳導(dǎo)技術(shù)的基板技術(shù)，例如陶瓷基板(氧化鋁)、鋁鎂合金、軟式印刷電路板、直接鋼接合基板(DBC)、金屬基復(fù)合材料基板等技術(shù)，但部分技術(shù)仍有制程、裝載或是成本方面的考量，必須視最終成品的實際熱流模型限制與改善幅度是否值得更換載板而定。

外觀機(jī)殼、構(gòu)型限制與模組化線路設(shè)計

LED固態(tài)光源，因應(yīng)實際應(yīng)用的需求，因為裝設(shè)現(xiàn)場不會有DC直流電源，而多半替代傳統(tǒng)光源的設(shè)置環(huán)境又只有AC交流電源，為了讓LED固態(tài)光源可以達(dá)到便利替換的裝設(shè)方式，相關(guān)設(shè)計就必須朝向整合電源轉(zhuǎn)換電路或是發(fā)展AC LED方向設(shè)計，但實際上，AC LED的發(fā)展成本仍高，而相關(guān)產(chǎn)品的現(xiàn)況仍待觀察，因此，現(xiàn)階段朝整合電源轉(zhuǎn)換的設(shè)計方式較為可行。

多數(shù)裝設(shè)環(huán)境，若是為取代原有白熾燈的設(shè)計方式，則會有相當(dāng)大的技術(shù)挑戰(zhàn)！ 因為白熾燈的體積小，LED固態(tài)光源必須整合驅(qū)動電路、電源轉(zhuǎn)換電路、溫度感測電路與主動散熱電路，如此一來，在相對電路密集空間有限的產(chǎn)品構(gòu)型，第一個要面對的就是散熱設(shè)計。

目前燈泡型的LED固態(tài)光源設(shè)計，電路多采模組化設(shè)計，為了簡化電路設(shè)計，目前也有相關(guān)電源晶片業(yè)者推出整合LED燈泡電路設(shè)計專屬的電源、溫控、電源轉(zhuǎn)換、主動散熱驅(qū)動電路的解決方案，目前尚未有單晶片解決方案，但已把繁復(fù)電路與多樣離散數(shù)位/類比元件整合至數(shù)顆積體電路解決，讓燈泡型的LED固態(tài)光源設(shè)計不會受空間限制而必須采取折衷或是讓產(chǎn)品失去替代傳統(tǒng)光源的設(shè)計限制。

以燈泡型的設(shè)計為例，在燈泡接座大量采鋁擠構(gòu)型機(jī)構(gòu)設(shè)計，此舉可讓內(nèi)部電路與LED產(chǎn)生的熱，透過燈泡本體的鋁擠機(jī)構(gòu)進(jìn)行散熱，而采取模組化搭配晶片解決方案，讓內(nèi)部線路大幅簡化，也減少內(nèi)部溫度傳導(dǎo)的熱阻問題，搭配主動式散熱機(jī)制利用小型化風(fēng)扇強(qiáng)制氣冷散熱處理，解決小型化LED燈泡的設(shè)計開發(fā)需求。

另一種常見的嵌入式燈具，也是LED固態(tài)光源積極搶進(jìn)的產(chǎn)品線，因為嵌入式燈具(嵌燈)，常見設(shè)計是采用鹵素?zé)襞轂楣庠矗藶楦邿?、低效率、高成本的無效率光源，但為了基于裝潢美化環(huán)境的需求，又是許多室內(nèi)設(shè)計相當(dāng)常見的應(yīng)用光源，雖然也有采取螢光燈式的嵌燈設(shè)計，但螢光燈式會有體積較大的問題，部分室內(nèi)環(huán)境氣氛營造的光源，并不會使用這類光源。 回到LED固態(tài)光源取代這類室內(nèi)嵌燈的設(shè)計應(yīng)用方面，與燈泡型LED固態(tài)光源一樣，嵌燈的構(gòu)型設(shè)計挑戰(zhàn)更嚴(yán)苛，因為嵌燈多數(shù)需求為柔和光線，點狀光源的LED發(fā)光方式，必須利用光學(xué)透鏡去改善光源特性，此會造成體積上的增加，雖然有些產(chǎn)品采取利用封裝技術(shù)去改善光型，但大體上能修整光線型態(tài)的程度有限。

另外，嵌燈的體積限制更多，加上多半是設(shè)置于裝潢天花板、夾層、木作之中，嵌燈對于散熱的要求更高，才能得到較佳的應(yīng)用安全性。 嵌入式燈具LED光源設(shè)計，由于燈具的裝設(shè)以配合裝潢為主，在設(shè)計方面反而可以做到分散式的功能設(shè)計，例如，將電源電路與嵌燈本體分離開發(fā)，這可以讓電源轉(zhuǎn)換電路不會成為嵌燈模組內(nèi)的熱流模型熱阻一環(huán)，讓光源本身僅需設(shè)置驅(qū)動電路與主動散熱相關(guān)電路，可有效縮小產(chǎn)品體積，或增加散熱機(jī)殼、散熱元件的設(shè)置空間，提升整個光源的散熱效率，或是讓修整光型的光學(xué)鏡片空間增大，提升產(chǎn)品的使用滿意度。

LED這種半導(dǎo)體元件，自問世以來，多數(shù)是作為指示燈、顯示板用途，目前為了發(fā)展日常照明應(yīng)用，也逐漸發(fā)展出高功率、高亮度的LED元件技術(shù)，伴隨著因應(yīng)提高亮度與能源應(yīng)用效能的需求，周邊技術(shù)的發(fā)展也持續(xù)提升，例如，高效能的AC-DC轉(zhuǎn)換、LED驅(qū)動電路、溫控電路等，與提升整體散熱效率的組裝構(gòu)型與設(shè)計，都已經(jīng)將LED固態(tài)光源推向可以取代傳統(tǒng)光源的技術(shù)水準(zhǔn)！ LED目前已可作為光源使用，不但能達(dá)到高效率直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，并擁有長達(dá)數(shù)萬小時的使用壽命，維護(hù)成本相對較低，同時也具備超越傳統(tǒng)燈泡易碎的強(qiáng)固特性，同時擁有環(huán)保、無汞、小體積、色域豐富等優(yōu)點。