完美解決高亮度LED照明應(yīng)用以及散熱設(shè)計(jì)

LED照明應(yīng)用，為達(dá)到接近原有替代光源的亮度要求，通常會(huì)采取以「量」取勝的設(shè)計(jì)方式，即在單位面積設(shè)計(jì)大量的LED發(fā)光元件，或是採(cǎi)取提升單一元件的發(fā)光效率進(jìn)行設(shè)計(jì)，但如此一來(lái)，即造成面狀或點(diǎn)狀的元件溫度亟需處理，而採(cǎi)取的散熱手段可用主動(dòng)或被動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行，尤其以主動(dòng)式散熱的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，如何達(dá)到最佳化散熱設(shè)計(jì)去避免LED元件光衰影響壽命，是開(kāi)發(fā)高亮度LED照明的重要關(guān)鍵。 　　LED(LightEmittingDiode)固態(tài)照明，是近年來(lái)被認(rèn)為極具潛力的未來(lái)產(chǎn)業(yè)，因?yàn)橄M(fèi)者與業(yè)者均期待，可以利用LED固態(tài)照明去解決大量能源浪費(fèi)在無(wú)效率的光源照明問(wèn)題，正因?yàn)長(zhǎng)ED具備體積小、發(fā)光效率高、省電等優(yōu)勢(shì)，因此，多數(shù)人也對(duì)LED固態(tài)照明的未來(lái)發(fā)展寄予厚望。為L(zhǎng)ED固態(tài)照明與傳統(tǒng)光源的發(fā)光技術(shù)不同，所以更有環(huán)保、節(jié)能方面的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，先觀(guān)察常見(jiàn)的日常照明光源，不外乎白熾燈與螢光燈，白熾燈基本上在發(fā)光效率表現(xiàn)即趨于劣勢(shì)，即便具備低成本與使用習(xí)慣已建立等優(yōu)勢(shì)，但在環(huán)保觀(guān)念抬頭的社會(huì)氛圍之下，已經(jīng)成為不環(huán)保、無(wú)效率的照明產(chǎn)品。在螢光燈方面，雖然採(cǎi)高頻氣體放電的光電技術(shù)去達(dá)到省電效益，但實(shí)際上螢光燈管製程無(wú)法避免對(duì)環(huán)境有害的汞，在環(huán)保訴求上也不是最佳的光源選擇。 　　回到LED固態(tài)光源的發(fā)展上，早期LED多用于指示性光源，即信號(hào)燈、指示燈之類(lèi)的中/低亮度、低功率驅(qū)動(dòng)的光源應(yīng)用，因此無(wú)散熱方面的考量，一方面是指示用光源僅用以辨認(rèn)目前裝置的使用現(xiàn)況、開(kāi)關(guān)狀態(tài)提示，并非針對(duì)照明用途，因?yàn)轵?qū)動(dòng)功率不高自然也無(wú)明顯待解決的散熱問(wèn)題。但問(wèn)題來(lái)了，高亮度LED的使用目的，多半是為了針對(duì)替代性環(huán)保光源而進(jìn)行開(kāi)發(fā)，如此設(shè)計(jì)方式會(huì)造成諸多影響。 　　當(dāng)LED固態(tài)光源朝日常的照明應(yīng)用方向思考時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)亮度不夠的問(wèn)題，必須在LED元件上嘗試?yán)锰岣吖β试黾影l(fā)光效率、或是利用更多數(shù)量高亮度LED進(jìn)行模組化設(shè)計(jì)，讓光源具備照明應(yīng)用「高亮度」的要求。 　　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，而與一般硅晶片類(lèi)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(lái)，加強(qiáng)LED功率也會(huì)使得晶體的光衰問(wèn)題、壽命問(wèn)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。 　　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)讓塬本可能具有20，000小時(shí)使用壽命的LED光源元件，因?yàn)樯嵊绊?，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)多半也採(cǎi)取模組化概念開(kāi)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)?LED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(wèn)題來(lái)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(wú)法得到較佳的散熱效果，也只能透過(guò)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(guān)察所製作的熱流模型，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p- n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(guò)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(wèn)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(lái)檢視。 　　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(xiàn)、封裝的塑料，再將觀(guān)察擴(kuò)及LED光源模組，即會(huì)有LED元件、接合的金屬接腳、 metalCorePCB(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(guān)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)阻抗的熱迴路，試圖去發(fā)現(xiàn)散熱效率低下的問(wèn)題癥結(jié)點(diǎn)。 　　再?gòu)哪Ｐ腿ド钊胗^(guān)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(guò)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(shù)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(guò)程。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)的晶片製法，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)係數(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(lái)。 　　另也有一種方式，是採(cǎi)行「垂直」電極的方式去製作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(wèn)題上得到更大的助益。例如，採(cǎi)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)增加元件的製作成本。 　　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(jiàn)的作法。一般而言，LED製作過(guò)程，會(huì)利用光學(xué)等級(jí)的環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)包住整個(gè)LED，藉此來(lái)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(xiàn)路，但環(huán)氧樹(shù)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範(fàn)圍，因?yàn)楣鈱W(xué)級(jí)的環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂的光學(xué)特性劣化，甚至材質(zhì)本身也會(huì)造成劣化。 　　目前常見(jiàn)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)的砲彈式封裝技術(shù)，在高亮度、高功率的LED元件方面，多數(shù)改用LumiledsLuxeon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)異的硅樹(shù)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(xiàn)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，比較一般的作法即採(cǎi)FR4(PCB)製作，熱傳導(dǎo)性能中上表現(xiàn)的會(huì)採(cǎi)取金屬基PCB，如MCPCB、IntegratedmetalSubstrate(IMS)處理，進(jìn)階高效能熱傳導(dǎo)能力的會(huì)採(cǎi)取陶瓷基板(Ceramic)去製作。 　　一般FR4(PCB)具備低成本優(yōu)勢(shì)，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，但製作成本為中高價(jià)位。陶瓷基板(Ceramic)的單價(jià)與成本更高，因?yàn)樘沾傻臒崤蛎泜S數(shù)表現(xiàn)佳，可讓乘載的晶片更為匹配，但無(wú)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(lái)提升熱傳導(dǎo)效率。 　　除前述常見(jiàn)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)仍有製程、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(guān)機(jī)殼、構(gòu)型限制與模組化線(xiàn)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(chǎng)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ACLED方向設(shè)計(jì)，但實(shí)際上，ACLED的發(fā)展成本仍高，而相關(guān)產(chǎn)品的現(xiàn)況仍待觀(guān)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，若是為取代塬有白熾燈的設(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(cè)電路與主動(dòng)散熱電路，如此一來(lái)，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)，電路多採(cǎi)模組化設(shè)計(jì)，為了簡(jiǎn)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(zhuān)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(lèi)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)受空間限制而必須採(cǎi)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，在燈泡接座大量採(cǎi)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(guò)燈泡本體的鋁擠機(jī)構(gòu)進(jìn)行散熱，而採(cǎi)取模組化搭配晶片解決方案，讓內(nèi)部線(xiàn)路大幅簡(jiǎn)化，也減少內(nèi)部溫度傳導(dǎo)的熱阻問(wèn)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(kāi)發(fā)需求。 　　另一種常見(jiàn)的嵌入式燈具，也是LED固態(tài)光源積極搶進(jìn)的產(chǎn)品線(xiàn)，因?yàn)榍度胧綗艟?嵌燈)，常見(jiàn)設(shè)計(jì)是採(cǎi)用鹵素?zé)襞轂楣庠?，此為高熱、低效率、高成本的無(wú)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(jiàn)的應(yīng)用光源，雖然也有採(cǎi)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(wèn)題，部分室內(nèi)環(huán)境氣氛營(yíng)造的光源，并不會(huì)使用這類(lèi)光源?；氐絃ED固態(tài)光源取代這類(lèi)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(xiàn)，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)品採(cǎi)取利用封裝技術(shù)去改善光型，但大體上能修整光線(xiàn)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)置于裝潢天花板、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(kāi)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(mǎn)意度。 　　LED這種半導(dǎo)體元件，自問(wèn)世以來(lái)，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(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)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(wú)汞、小體積、色域豐富等優(yōu)點(diǎn)。