高亮度LED照明散熱設(shè)計(jì)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(jì)方式，即在單位面積設(shè)計(jì)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(jì)，但如此一來，即造成面狀或點(diǎn)狀的元件溫度亟需處理，而采取的散熱手段可用主動(dòng)或被動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行，尤其以主動(dòng)式散熱的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，如何達(dá)到最佳化散熱設(shè)計(jì)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(jì)

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(jì)需求。

因?yàn)長ED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(xiàng)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(shí)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(dòng)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?yàn)轵?qū)動(dòng)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(jì)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(shí)，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(jì)，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(jì)是一大關(guān)鍵

LED元件的核心設(shè)計(jì)，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?yàn)殚L時(shí)間使用而產(chǎn)生光衰現(xiàn)象，多數(shù)設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)。

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(shí)使用壽命的LED光源元件，因?yàn)樯嵊绊?，而降低到僅剩1,000小時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)。

LED模組設(shè)計(jì)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(jì)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?yàn)長ED為DC直流驅(qū)動(dòng)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?yàn)榭捎玫碾娐房臻g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(dòng)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(diǎn)的溫度，接合點(diǎn)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?yàn)槟男╆P(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(gè)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(dòng)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(gè)串聯(lián)的熱流阻抗，例如結(jié)合點(diǎn)、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(diǎn)。

再從模型去深入觀察，可以發(fā)現(xiàn)，從晶粒的接合點(diǎn)到整個(gè)外部環(huán)境的散熱過程，其實(shí)是由幾個(gè)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(gè)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(gè)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(jì)，而藍(lán)寶石基板的熱傳導(dǎo)系數(shù)接近20W/mK，其實(shí)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?yàn)椴牧铣杀据^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(gè)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(gè)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(shí)限制了元件的溫度操作范圍，因?yàn)楣鈱W(xué)級的環(huán)氧樹脂于高溫下使用時(shí)，會因?yàn)楦邷鼗蚴菑?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(dòng)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(shí)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(jià)位。 陶瓷基板(Ceramic)的單價(jià)與成本更高，因?yàn)樘沾傻臒崤蛎浵禂?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(shí)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(shí)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(jì)

LED固態(tài)光源，因應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的需求，因?yàn)檠b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(jì)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(jì)，但實(shí)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(jì)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(jì)方式，則會有相當(dāng)大的技術(shù)挑戰(zhàn)！ 因?yàn)榘谉霟舻捏w積小，LED固態(tài)光源必須整合驅(qū)動(dòng)電路、電源轉(zhuǎn)換電路、溫度感測電路與主動(dòng)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(gè)要面對的就是散熱設(shè)計(jì)。

目前燈泡型的LED固態(tài)光源設(shè)計(jì)，電路多采模組化設(shè)計(jì)，為了簡化電路設(shè)計(jì)，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(jì)專屬的電源、溫控、電源轉(zhuǎn)換、主動(dòng)散熱驅(qū)動(dòng)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(jì)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(jì)限制。

以燈泡型的設(shè)計(jì)為例，在燈泡接座大量采鋁擠構(gòu)型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(dòng)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(jì)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?yàn)榍度胧綗艟?嵌燈)，常見設(shè)計(jì)是采用鹵素?zé)襞轂楣庠?，此為高熱、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(jì)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(jì)，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(jì)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(jì)挑戰(zhàn)更嚴(yán)苛，因?yàn)榍稛舳鄶?shù)需求為柔和光線，點(diǎn)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(jì)，由于燈具的裝設(shè)以配合裝潢為主，在設(shè)計(jì)方面反而可以做到分散式的功能設(shè)計(jì)，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(dòng)電路與主動(dòng)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(gè)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(dòng)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(jì)，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(shí)的使用壽命，維護(hù)成本相對較低，同時(shí)也具備超越傳統(tǒng)燈泡易碎的強(qiáng)固特性，同時(shí)擁有環(huán)保、無汞、小體積、色域豐富等優(yōu)點(diǎn)。