室內照明燈具最佳解決方案

一、 前言

LED照明燈具技術(shù)為一種系統整合的概念(光、機、電、熱)，其系統中心為L(cháng)ED光源，LED光源的技術(shù)目標是為了提供更好的發(fā)光效率，更低的熱阻，更佳的光譜特性，如演色性及相關(guān)色溫等。

以光源為主體可將LED照明燈具展開(kāi)4項技術(shù)的整合，分別為光學(xué)、電控、散熱與機構，光學(xué)技術(shù)的目的是為照明燈具設計符合需求的燈具光型，透過(guò)光學(xué)分析及仿真并且利用光學(xué)組件將光源的光型轉換為燈具需求的光型;電控則可大致分為電源驅動(dòng)及控制系統，電源驅動(dòng)目的是為將外部電源轉換為L(cháng)ED所需求的電壓或電流，控制系統就是讓燈具結合傳輸及數字化操作，賦予燈具生命;由于LED光源在發(fā)光的同時(shí)也產(chǎn)生大量的廢熱，散熱結構設計使LED燈具與光源保持適當的溫升，以避免減低效能及壽命;由于LED燈源體積小，使用變化大，因此機構設計可以讓LED燈具有別于傳統熒光燈或HID燈具，展現更多樣化的連接方式，因此LED照明燈具不論是取代式燈泡或者是新一代的LED照明模塊，皆為上述技術(shù)的整合。

根據J.P. Morgan 2010的研究亦顯示，2015LED燈泡在全球照明市場(chǎng)的滲透率可達40%，約近40億顆的銷(xiāo)售量;并預計在2018年前達到75%的滲透率?！脯F在市場(chǎng)上已有不少供貨商開(kāi)始生產(chǎn)制造各種不同類(lèi)型的LED燈泡，以便供消費者進(jìn)行選擇?！鼓壳坝捎谝粋€(gè)光通量等同40W、470 lm白熾燈泡的LED燈泡市場(chǎng)價(jià)格約20美元，60W、800 lm白熾燈泡的LED燈泡其市場(chǎng)價(jià)格更是高達每個(gè)40美元，由于價(jià)格因素使得一般民眾對LED燈泡的接受度仍不高。

依據SSL制造成本的分析數據顯示，只是Thermal and Metal Bending、Driver/Power Supply、LED Back-End Process這3項與散熱及驅動(dòng)裝置相關(guān)的零組件，就占去一個(gè)LED燈泡高達80%的成本;而其余的Luminaire Optics、Luminaire Assembly、Phospor…等項目，其總和則不到成本的20%。至于實(shí)際與LED相關(guān)的零組件，更是占不到5%的比例。

以往LED照明業(yè)者老是強力要求LED產(chǎn)品供貨商降低供貨售價(jià)，根本就是搞錯方向，對于LED燈泡價(jià)格的改善是于事無(wú)補。如何思索新的設計模型，以便在兼顧效能與成本的需求下，發(fā)掘出最合理的LED燈泡新BOM表，才是值得業(yè)者投入的方向。

而這當中又以L(fǎng)ED產(chǎn)生熱量的處理方式最為重要。未能有效解決散熱問(wèn)題，就會(huì )提高接面甚至是整體芯片之溫，芯片的高溫會(huì )導致 LED 造成下的影響:

1. 低發(fā)光效 :同的溫下，發(fā)光效對溫的關(guān)系圖 如下圖，發(fā)光的效會(huì )隨著(zhù)溫的提升而減少。

2. LED 芯片的損壞 : 一般設計發(fā)光二極管的工作溫超過(guò) 120 ℃，在超過(guò)芯片可承受之高溫下運作，則會(huì )造成芯片的失效及損壞。

3. LED 之壽命衰退 : 承接著(zhù)第 2 點(diǎn)，在高溫之下點(diǎn)的 LED 其使用壽 命也隨之減少。

4. 中心波長(cháng)偏移 : 隨著(zhù)芯片溫的提升，中心波長(cháng)會(huì )有所偏移，而此偏移現象會(huì )造成 LED 的色彩變化。

5. 封裝材化 : 用于 LED 的封裝材多為高分子材，持續在高 溫下作用，會(huì )使封裝的材脆化及化 。

二、 HV LED 簡(jiǎn)介

隨著(zhù)發(fā)光二極管的制程技術(shù)以及效的斷提升，為了配合市場(chǎng)的發(fā)展需求，朝著(zhù)大功及高發(fā)展，也就是高功的LED 已經(jīng)成為趨勢。HV LED 僅能將家用交電源透過(guò)外接全波整器驅動(dòng)，也可以用直電驅動(dòng)，應用的范圍相當的彈性。而高壓發(fā)光二極管的芯片的發(fā)光效比一般在正負半周轉換的AC LED 要高。

也因為HV LED 高電壓的特性，使得在相同電功輸入時(shí)，相對于傳統的DC LED 芯片結構而言，可低過(guò)HV LED 每塊微晶之電，也因為HV LED 小電、多微晶的設計，因此可提高電分布的均勻性。HV LED單元間的互聯(lián)是利用基板上的布線(xiàn)完成的，封裝制程簡(jiǎn)單，封裝成本相對低廉，因此高壓低電流的設計產(chǎn)生更佳的發(fā)光效率。

相比低壓LED，高壓LED有兩大明顯競爭優(yōu)勢：

第一，在同樣輸出功率下，高壓LED所需的驅動(dòng)電流大大低于低壓LED。

第二，高壓LED可以大幅降低AC-DC轉換效率損失。

三、 HV 芯片+ Ceramic 基板 + COB 封裝

隨著(zhù)LED朝著(zhù)高功率方向的發(fā)展，導熱、散熱相關(guān)問(wèn)題的解決也勢在必行，而解決此類(lèi)問(wèn)題的途徑也相當多元化。針對大功率LED照明的散熱技術(shù)，采用陶瓷基板。由于具有與半導體有接近的熱膨脹系數與較高的耐熱能力，能有效地解決熱歪斜及高溫工藝問(wèn)題。陶瓷基板特性如下：

1.可用于PKG數組封裝。

2.可用于高電壓、高溫度的制程并與LED有良好的熱膨脹匹配系數。

3.厚度薄、尺寸小散熱性佳。

4.工作溫度非常高，可適用高功率LED使用。

5.壽命長(cháng)、可抗腐蝕、耐高溫、物理特性穩定。

在COB封裝中，由于散熱路徑較短，LED芯片由工作中產(chǎn)生的熱能可以有效傳遞至散熱片，因為具有這樣的特性，COB封裝可以比傳統離散式組件封裝維持更低的LED芯片接面溫度。LED接面溫度在LED壽命與效能表現扮演相當關(guān)鍵的角色，較低的接面溫度由于劣化程度較低，因此壽命較長(cháng)，此外，LED在溫度較低時(shí)，每單位功率輸入的光輸出也較高。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，COB封裝可讓終端使用者以更少的溫度管理需求或更低的系統成本，得到比傳統離散式組件封裝更好的效能產(chǎn)品。

四、 結論：

長(cháng)久以來(lái)，LED的散熱問(wèn)題是影響其發(fā)光效率的關(guān)鍵，因此成為照明業(yè)者努力改善的重點(diǎn)課題。其中，封裝技術(shù)對于LED的散熱效能扮演著(zhù)相當重要的角色，尤其是因應照明應用的需要，高功率LED的封裝技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向亦引發(fā)關(guān)注，現在COB型LED陶瓷基板具有比支架低的熱阻系數，是最適合高瓦數LED的封裝結構。

隨著(zhù)LED芯片發(fā)光效率的提升，未來(lái)照明勢必以成本及可靠度為第一考慮因素。因此Stately綜元光源采用的HV 芯片+ Ceramic 基板 + COB 封裝是目前室內照明系統光、機、電、熱提最佳的解決方案。