高亮度LED照明應(yīng)用與散熱設(shè)計

　　至于封裝層級的散熱強化作法則相當(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元件能在機械強度方面的表現(xiàn)更佳，甚至也可保護元件內(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：亮度強化的燈具，局部高溫問題也會加劇，必須搭配更強力的主動散熱技術(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、耐強光表現(xiàn)較優(yōu)異的矽樹脂去進行封裝，此封裝法可獲得較佳的機械強度表現(xiàn)，同時其內(nèi)部對高溫、紫外線照射、高強度藍光LED有更強大的耐受能力。

　　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構(gòu)進行散熱，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，搭配主動式散熱機制利用小型化風(fēng)扇強制氣冷散熱處理，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?，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*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，不但能達到高效率直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，并擁有長達數(shù)萬小時的使用壽命，維護成本相對較低，同時也具備超越傳統(tǒng)燈泡易碎的強固特性，同時擁有環(huán)保、無汞、小體積、色域豐富等優(yōu)點。