簡(jiǎn)要分析LED燈具的散熱設(shè)計(jì)

　　LED又稱發(fā)光二極管（Light Emitting Diode），屬于半導(dǎo)體組件。

　　自1962年美國(guó)通用電氣公司開(kāi)發(fā)出全球第一種可實(shí)際應(yīng)用的紅光LED開(kāi)始，至今LED已全面邁入全彩時(shí)代。LED的發(fā)光原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是由含電洞的P型半導(dǎo)體與含電子的N型半導(dǎo)體結(jié)合成之P-N二極管，在P-N二極管兩端加上順向偏壓，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，電子與電洞流至接合面接合時(shí)會(huì)因放出能量而發(fā)光 （可參考下圖）。

　　圖1 LED發(fā)光原理

　　LED本身是單色光源，如今隨著光效提升及藍(lán)光LED的出現(xiàn)，它的應(yīng)用也逐漸偏向多元化，從早先的低功率電源指示燈演進(jìn)成LED背光模塊和LED照明等高功率應(yīng)用。LED被譽(yù)為21世紀(jì)的照明新光源，它具有效率高、壽命長(zhǎng)、省能源、不易破損、環(huán)保無(wú)汞等傳統(tǒng)光源無(wú)法與之比較的優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)能減碳及環(huán)保意識(shí)方興未艾之際，加上各國(guó)政府陸續(xù)宣示的能源政策（例如：美國(guó)2007年頒布的“能源獨(dú)立和安全法案”提出白熾燈禁用時(shí)程、日本2010年修訂的“能源基本計(jì)劃”提出減碳目標(biāo)），使得占生活用電大量比重的“照明”成為鼓勵(lì)汰換的項(xiàng)目之一。能源趨勢(shì)、政府法令與LED發(fā)光特性三者相乘作用之下，促使LED照明產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，也吸引了國(guó)內(nèi)/外廠商對(duì)于LED上、中、下游產(chǎn)業(yè)的投入。

　　LED如同所有電子零件一般，在使用或運(yùn)作的過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生熱能及溫升現(xiàn)象，如果忽視散熱問(wèn)題，將導(dǎo)致LED因高溫而提早燒毀的結(jié)果。LED燈具的設(shè)計(jì)較傳統(tǒng)燈具復(fù)雜，包含光學(xué)、機(jī)構(gòu)、電子及散熱，其中“散熱”尤其重要，因?yàn)槟壳案吖β蔐ED燈具的轉(zhuǎn)換率僅有20%會(huì)轉(zhuǎn)換成光，其余80%會(huì)轉(zhuǎn)換為熱，如果不能將熱量導(dǎo)出燈具之外，將無(wú)法達(dá)到LED光源宣稱的50，000小時(shí)壽命，同時(shí)熱量會(huì)影響LED的發(fā)光效率，導(dǎo)致嚴(yán)重光衰及燈具毀損的慘況。

　　LED燈具的散熱設(shè)計(jì)

　　LED的發(fā)光效率及壽命與工作溫度息息相關(guān)，呈現(xiàn)反比關(guān)系，下圖為美國(guó) CREE 所發(fā)布的LED壽命報(bào)告，溫度每下降10 ℃壽命將延長(zhǎng)2倍且光通量提升3%-8%。

　　圖2 LED壽命報(bào)告

　　由于高功率LED技術(shù)的發(fā)展，使得LED燈具面臨到熱管理和散熱設(shè)計(jì)的嚴(yán)苛挑戰(zhàn)，因?yàn)闇囟壬卟坏珪?huì)造成亮度下降，當(dāng)溫度超過(guò)攝氏100度時(shí)更會(huì)加速燈具本體及封裝材料的劣化。因此，除了LED封裝組件本身的散熱技術(shù)外，LED燈具的散熱及導(dǎo)熱設(shè)計(jì)更是維持燈具壽命的最大關(guān)鍵。

　　LED應(yīng)用于戶外照明，其散熱設(shè)計(jì)相較于其他LED終端產(chǎn)品（例如：LED背光面板、LED車用照明等）更為復(fù)雜多元，因?yàn)長(zhǎng)ED燈具的操作環(huán)境會(huì)因?yàn)闇囟茸兓?、沙塵量、濕度等因素更加嚴(yán)苛。以LED路燈為例，要能夠長(zhǎng)時(shí)間于戶外環(huán)境工作，不僅必須符合安全法規(guī)的要求 （例如：UL、CE），更需達(dá)到克服光學(xué)特性穩(wěn)定性（如、光衰變化）、沙塵侵襲、鳥(niǎo)糞堆積、空氣中膠質(zhì)懸浮物質(zhì)及水氣虹吸現(xiàn)象造成之防水防塵問(wèn)題等可靠度及惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。

　　在燈具設(shè)計(jì)方面，由LED芯片、LED芯片基板、芯片封裝、線路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)電路板、散熱鰭片到燈具外殼再再都考驗(yàn)著LED產(chǎn)業(yè)上、中、下游的研發(fā)能力。傳統(tǒng)用于指示燈的LED多為炮彈型結(jié)構(gòu)，其四周以絕緣性環(huán)氧樹(shù)脂（epoxy）進(jìn)行封裝，故LED晶粒所產(chǎn)生的熱能主要由下方的兩根金屬導(dǎo)線以傳導(dǎo)方式往系統(tǒng)電路板方向散出。然而當(dāng)LED跨入照明領(lǐng)域后，1W以上的高功率LED成為主流，也為了增加熱傳導(dǎo)面積，照明用途之LED改采平板式封裝，使LED芯片基板和系統(tǒng)電路板能有較大的貼和面積。

　　圖3 炮彈型和平板式LED芯片

　　目前常見(jiàn)的LED芯片基板為陶瓷基板，其散熱性佳，低膨脹系數(shù)等特性，減低因熱應(yīng)力而產(chǎn)生的變型，其次還具有耐熱、耐潮、絕緣等優(yōu)點(diǎn)，故陶瓷基板成為高功率照明用LED芯片基板的常用散熱材料。陶瓷基板目前分為3大類：（1）氧化鋁（Al2O3）、（2）低溫共燒陶瓷（LTCC）、（3）氮化鋁（AlN），其中以AlN之導(dǎo)熱性最佳，但技術(shù)門(mén)坎最高，故AlN多用于3W以上之LED產(chǎn)品，而Al2O3則用于1W-3W的范圍， LTCC則適用于大尺寸大功率、小尺寸小功率之LED產(chǎn)品。以Cree XLamp LED系列為例，即采陶瓷基座優(yōu)化散熱能力。

　　表1 散熱基板的分類和膨脹性、導(dǎo)熱性介紹。

　　在封裝方面，可采打線、共晶或覆晶三種方式將芯片和LED散熱基板連結(jié)，打線是藉由金屬導(dǎo)線連接LED芯片和芯片基板，芯片產(chǎn)生的熱只能藉由導(dǎo)線進(jìn)行傳導(dǎo)，散熱的效能受限于導(dǎo)線的材質(zhì)和細(xì)長(zhǎng)的幾何型狀，故散熱效能備受限制，相較之下共晶、覆晶之接合方式，大幅減少導(dǎo)線長(zhǎng)度并加大導(dǎo)線截面積，提升散熱傳導(dǎo)能力。

　　圖4 打線式封裝（左圖）和覆晶式封裝（右圖）

　　在線路改良方面，有廠商推出高壓LED產(chǎn)品，其原理是將許多小功率LED進(jìn)行串連，得到高電壓、小電流的產(chǎn)品。高壓LED多用于球泡燈、燈管、投射燈等空間受限的照明產(chǎn)品，可減低控制線路布置上的困難性。相較于一般LED，高壓LED的驅(qū)動(dòng)電流較小，產(chǎn)生的熱量也相對(duì)較少，可避免掉入”溫度上升→阻抗下降→電流增加→熱能增加→溫度上升”的惡性循環(huán)中，可設(shè)計(jì)出系統(tǒng)穩(wěn)定性較佳的LED燈具。

　　介紹完LED芯片基板后，接著提到同樣于傳遞熱量具有重責(zé)大任的系統(tǒng)電路板，LED芯片藉由焊接和系統(tǒng)電路板進(jìn)行鏈接，由芯片所產(chǎn)生的熱能也由芯片基板傳導(dǎo)到系統(tǒng)電路板，目前常用的為具有高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬芯基板（Metal Core PCB；MCPCB），雖然前述有提過(guò)陶瓷基板的導(dǎo)熱性能佳，但因系統(tǒng)電路板之面積較大，在考慮成本因素和燈具重量等因素，多會(huì)舍棄陶瓷基板，改用MCPCB做為系統(tǒng)電路板。MCPCB由3層結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，由上而下分別為導(dǎo)電線路層、高導(dǎo)熱絕緣層和金屬基板，其中高導(dǎo)熱絕緣層的材質(zhì)須慎選，若使用高膨脹系數(shù)的材質(zhì)，絕緣層易在高溫下膨脹而產(chǎn)生裂縫、空洞，反而使空氣進(jìn)入MCPCB中，形成額外的熱阻抗，降低導(dǎo)熱的效率，部分廠商會(huì)于導(dǎo)熱絕緣層和金屬基版間噴涂陶瓷散熱漆，可提高絕緣層的絕緣阻抗、節(jié)省多層導(dǎo)熱膠的材料成本和加強(qiáng)MCPCB的散熱能力；最底層的金屬基板多采用鋁合金，利用鋁合金較佳的散熱特性，達(dá)到熱傳導(dǎo)的目的。

　　系統(tǒng)電路板的后端結(jié)合著散熱系統(tǒng)進(jìn)行散熱，散熱系統(tǒng)可分為主動(dòng)式散熱和被動(dòng)式散熱，主動(dòng)式散熱包含風(fēng)扇強(qiáng)制散熱和磁力噴流散熱，被動(dòng)式散熱包含自然對(duì)流散熱、回路熱管散熱，其下將一一介紹：

　　1. 風(fēng)扇強(qiáng)制散熱：

　　風(fēng)扇強(qiáng)制散熱顧名思義就是藉由風(fēng)扇產(chǎn)生空氣對(duì)流，將熱空氣導(dǎo)出燈具本體外來(lái)進(jìn)行散熱，使用風(fēng)扇強(qiáng)制散熱可以非常有效的將熱排出，在計(jì)算機(jī)、冷氣及汽車中都以風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制散熱，目前鑫源盛科技的S01 Glory Series LED路燈系列即采用風(fēng)扇強(qiáng)制散熱技術(shù)。

　　2. 電磁噴流散熱：

　　電磁噴流散熱不使用風(fēng)扇扇葉產(chǎn)生氣流，其結(jié)構(gòu)為一具有薄膜之中空腔體，其利用電磁或壓電驅(qū)動(dòng)器以每秒100~200次的頻率振蕩薄膜，促使薄膜進(jìn)行上下振蕩，隨著薄膜的上下位移，空氣會(huì)流入中空腔體再行噴出，噴出后的氣流會(huì)帶動(dòng)周邊空氣產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，強(qiáng)化空氣對(duì)流能力，目前已應(yīng)用于GE 27W Energy Smart LED球泡燈。

　　3. 自然對(duì)流散熱：

　　自然對(duì)流散熱是透過(guò)散熱器（例如：散熱鰭片、燈具燈殼、系統(tǒng)電路板等） 和空氣進(jìn)行直接接觸，散熱器周邊的空氣因吸收熱量成為熱空氣，接著熱空氣上升，冷空氣下降，自然就會(huì)帶動(dòng)空氣產(chǎn)生對(duì)流，達(dá)到散熱的效果。隨著高功率燈具產(chǎn)品的推出，使用自然對(duì)流散熱需有較大的散熱表面積，故散熱鰭片因應(yīng)而生，多數(shù)加裝于燈具背面，提供較大的散熱面積，強(qiáng)化對(duì)流散熱的效果，陽(yáng)全光電之LED天井燈即采用鰭片自然散熱技術(shù)。

　　散熱鰭片的使用雖增加散熱效果，但也增加了燈具的整體重量和成本，更增添了立桿型燈具安全懸掛的風(fēng)險(xiǎn)，此外，LED燈具常面臨落塵堆積等問(wèn)題，一旦經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用，過(guò)多的臟污、灰塵累積