高亮度LED照明應(yīng)用與散熱設(shè)計(jì)

　　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(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)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(huì)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(huì)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(huì)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(cè)分析，也會(huì)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(huì)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(jiǎn)化電源模塊的嵌燈設(shè)計(jì)

　　而檢視測(cè)試結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)，LED也會(huì)有隨著“功率”增加、“使用壽命”減少的現(xiàn)象，會(huì)讓原本可能具有20,000小時(shí)使用壽命的LED光源元件，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/散熱">散熱影響，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(huì)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(zhǎng)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(jiǎn)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(duì)小很多，在裝置內(nèi)的對(duì)流空間相對(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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*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(huì)較高。

　　例如，LED發(fā)光元件可以拆解為L(zhǎng)ED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(huì)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?gòu)哪Ｐ腿ド钊胗^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(huì)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(jí)的技術(shù)、封裝LED晶粒的技術(shù)、電路板層級(jí)的技術(shù)去進(jìn)行改善。

　　在晶片層級(jí)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(duì)LED晶片級(jí)的散熱強(qiáng)化處理，尤其是針對(duì)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(huì)比傳統(tǒng)藍(lán)寶石基板作法的成本貴上許多，會(huì)增加元件的制作成本。