散熱處理為高亮度LED燈具設計關(guān)鍵

　　LED(Light Emitting Diode)因發(fā)光塬理不同于傳統鎢絲燈光源，為利用二極體之PN接面電位差產(chǎn)生點(diǎn)狀光源，因結構特性又稱(chēng)為固態(tài)光源。LED因具備二極體的低能量驅動(dòng)特性、顆粒狀組件易于在任意形狀載具設置，目前已發(fā)展利用燈具之散熱、光學(xué)透鏡處理，讓LED的點(diǎn)光源特性更接近熟悉的傳統光源表現，搭上省電、節能議題搶進(jìn)家庭照明市場(chǎng)...

　　現有的LED產(chǎn)制技術(shù)，單顆組件所產(chǎn)生的流明數，仍與常用的鎢絲燈有明顯的應用差距，因此LED目前仍以LCD TV、Tablet PC背光應用為多，此外，在低亮度的情境用LED條燈，因為是非照明用途，使用者也不會(huì )對其照明效果要求過(guò)多，亦是目前LED使用場(chǎng)合的大宗。

　　放大LED燈泡型產(chǎn)品，必須在有限空間內設置交換式電源、溫控電路、主動(dòng)散熱風(fēng)扇驅動(dòng)電路等，空間挑戰性高。

　　LED照明為了達到等效傳統光源，并成為替代型環(huán)保光源，其發(fā)光源的亮度要求就成了一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)突破點(diǎn)，目前單顆發(fā)光效能即便是最亮的量產(chǎn)型產(chǎn)品，單一組件的亮度仍無(wú)法達到取代作用，必須透過(guò)數顆或數十顆并聯(lián)形式發(fā)光，才能達到接近傳統光源的照明效果。

　　效率、環(huán)保問(wèn)題 LED光源應用漸受重視

　　觀(guān)察日常用的照明光源，以鎢絲燈為基礎的白熾燈，和以氣體放電發(fā)光為基礎的螢光燈(compact fluorescent lamp；CFL)為多。白熾燈透過(guò)加熱，使鎢絲產(chǎn)生高熱發(fā)光，在物理特性方面會(huì )因高熱產(chǎn)生嚴重的效率損失，其發(fā)光能量多以熱形式浪費了。

　　而螢光燈雖利用高頻氣體放電以產(chǎn)生發(fā)光效果，即便在省能源方面表現極佳，但為了制作螢光燈具，必須在燈管內注入對環(huán)境有害的汞蒸氣，燈管破掉了會(huì )更危險，因為燈管內有汞蒸氣和螢光粉，品質(zhì)較差的產(chǎn)品還會(huì )有紫外線(xiàn)問(wèn)題，在日益抬頭的環(huán)保訴求下，螢光燈勢必不是最佳的光源選擇。

　　因為L(cháng)ED固態(tài)照明的發(fā)光技術(shù)與傳統光源不同，產(chǎn)制、使用與回收方面均更具環(huán)保效益，但早期LED光源多應用于信號燈、指示燈的中/低亮度、低功率應用，發(fā)展過(guò)程無(wú)散熱問(wèn)題，如今為了發(fā)展“照明”應用，LED組件必須達到高亮度，又因發(fā)光塬理使然，其運行高溫集中在單點(diǎn)，必須在散熱處理上花費更多精神來(lái)進(jìn)行設計。

　　散熱處理為LED燈具設計關(guān)鍵

　　LED與傳統光源一樣會(huì )在發(fā)光時(shí)產(chǎn)生高熱，只是鎢絲燈光源將熱集中在燈絲中，但LED的光源熱度卻集中在發(fā)光二極體的PN接面上，兩者相較起來(lái)，鎢絲燈的散熱面積仍遠大于PN接面的面積，甚至PN接面可以視為1個(gè)點(diǎn)，LED發(fā)光產(chǎn)生的熱能全部集中在單一點(diǎn)上。

　　在工程設計方面，“面」形式產(chǎn)生的熱可用散熱片或是自體增加熱對流空間即可處理，但“點(diǎn)」狀的熱源在散熱處理就更為復雜與困難，處理不妥很容易造成PN接面因高熱、高電流出現擊穿損壞，而組件長(cháng)期處于高熱，也會(huì )讓產(chǎn)品的可用壽命受到影響。

　　LED 晶粒為提升亮度表現，必須在單位LED上施加更多電源功率，同時(shí)燈具設計也會(huì )采較多數量的LED同時(shí)運行，這將使燈具內產(chǎn)生大量的熱。當單顆LED晶粒隨亮度提升，功耗也由0.1W提升到1、3、甚至5W，經(jīng)LED光源模型實(shí)測分析結果，封裝模組也會(huì )因增加發(fā)光效能而出現熱阻抗攀升的問(wèn)題。

　　LED 平均壽命會(huì )隨著(zhù)施加功率提升而縮短，塬本單顆LED組件具20,000~40,000小時(shí)壽命，可能因功率與散熱處理不佳降至僅2,000小時(shí)！散熱處理若從組件端著(zhù)手，可在芯片設計階段即進(jìn)行散熱規劃，針對LED磊晶進(jìn)行的散熱設計方式，針對高功率、高亮度的LED組件使用覆晶(Flip-Chip)形式，利用覆晶將磊晶內的熱傳導出來(lái)。另一種方式是采垂直電極制作LED，可在散熱問(wèn)題上得到更大幫助。

　　一般LED制程利用光學(xué)環(huán)氧樹(shù)脂包住LED，藉此使LED具更強的機械強度以保護組件內線(xiàn)路，但環(huán)氧樹(shù)脂同時(shí)限制組件操作溫度范圍。高亮度、高功率LED組件改用Lumileds Luxeon封裝法，散熱路徑改為集中在下方金屬，同時(shí)改用光學(xué)、耐高溫、耐強光硅樹(shù)脂封裝。電路載板也是LED光源的重要散熱途徑，一般產(chǎn)品采 FR4(PCB)制作，熱傳導性能表現一般，改善作法為采MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board)、 IMS(Integrated Metal Substrate)處理，提升載板的熱傳導能力。

　　發(fā)展LED日常照明應用，必須正視組件的散熱處理要求，從LED組件端即處理散熱問(wèn)題。

　　不同應用環(huán)境 需針對取代燈具進(jìn)行優(yōu)化設計

　　LED 光源必須因應實(shí)際現場(chǎng)需求改變設計，多數裝設環(huán)境不會(huì )有直流電源供應，而LED必須采直流驅動(dòng)，為讓LED光源可達到便利替換，須朝電源轉換的設計方向進(jìn)行整合。如果開(kāi)發(fā)目的是為取代白熾燈的燈泡型產(chǎn)品，因為燈泡尺寸較小，空間上的限制將使LED燈泡開(kāi)發(fā)的技術(shù)挑戰更高。

　　LED燈泡型產(chǎn)品多會(huì )在接座使用大量鋁擠構型，讓內部電路、LED可透過(guò)鋁材高速傳導熱的特性，處理應用時(shí)的高熱問(wèn)題，同時(shí)采用模組化LED光源驅動(dòng)芯片，整合主動(dòng)散熱控制、溫度偵測、LED晶粒驅動(dòng)等電路，使內部電子電路線(xiàn)路簡(jiǎn)化，同時(shí)減輕離散組件過(guò)多造成的內部溫度傳導對流受阻問(wèn)題。

　　裝潢常見(jiàn)的嵌入式燈具，目前也是LED光源常見(jiàn)的產(chǎn)品路線(xiàn)，傳統嵌入燈具多采用鹵素燈泡，會(huì )有高熱、能源使用效率低等問(wèn)題，LED嵌燈設計為呈現柔和光線(xiàn)，必須利用光學(xué)處理改善LED光型，此也會(huì )造成產(chǎn)品體積加大問(wèn)題。此外，嵌燈體積限制大、散熱要求高，因此產(chǎn)品多數采分布式設計，像是將電源電路與燈體分離設計，讓電源轉換電路不會(huì )影響LED燈具模組的內部散熱，有效縮小產(chǎn)品體積、增加散熱組件的設置空間。

　　燈泡型的產(chǎn)品，是目前LED照明最常見(jiàn)的設計形式，可將耗能的鎢絲燈更換成LED燈。

來(lái)源：DIGITIMES