高亮度LED照明應(yīng)用與散熱設(shè)計(jì)

　　至于封裝層級(jí)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(huì)利用光學(xué)等級(jí)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(jí)的環(huán)氧樹脂于高溫下使用時(shí)，會(huì)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(huì)造成劣化。

圖6：亮度強(qiáng)化的燈具，局部高溫問題也會(huì)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(duì)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(jí)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(huì)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(huì)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(duì)電路密集空間有限的產(chǎn)品構(gòu)型，第一個(gè)要面對(duì)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(huì)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(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(huì)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(huì)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(huì)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*板、夾層、木作之中，嵌燈對(duì)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(huì)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(duì)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)。