散热处理为高亮度LED灯具设计关键

2011-12-04 来源： OFweek半导体照明网

　　LED(Light Emitting Diode)因发光塬理不同于传统钨丝灯光源，为利用二极体之PN接面电位差产生点状光源，因结构特性又称为固态光源。LED因具备二极体的低能量驱动特性、颗粒状组件易于在任意形状载具设置，目前已发展利用灯具之散热、光学透镜处理，让LED的点光源特性更接近熟悉的传统光源表现，搭上省电、节能议题抢进家庭照明市场...

　　现有的LED产制技术，单颗组件所产生的流明数，仍与常用的钨丝灯有明显的应用差距，因此LED目前仍以LCD TV、Tablet PC背光应用为多，此外，在低亮度的情境用LED条灯，因为是非照明用途，使用者也不会对其照明效果要求过多，亦是目前LED使用场合的大宗。

　　放大LED灯泡型产品，必须在有限空间内设置交换式电源、温控电路、主动散热风扇驱动电路等，空间挑战性高。

　　LED照明为了达到等效传统光源，并成为替代型环保光源，其发光源的亮度要求就成了一个关键的技术突破点，目前单颗发光效能即便是最亮的量产型产品，单一组件的亮度仍无法达到取代作用，必须透过数颗或数十颗并联形式发光，才能达到接近传统光源的照明效果。

　　效率、环保问题 LED光源应用渐受重视

　　观察日常用的照明光源，以钨丝灯为基础的白炽灯，和以气体放电发光为基础的萤光灯(compact fluorescent lamp；CFL)为多。白炽灯透过加热，使钨丝产生高热发光，在物理特性方面会因高热产生严重的效率损失，其发光能量多以热形式浪费了。

　　而萤光灯虽利用高频气体放电以产生发光效果，即便在省能源方面表现极佳，但为了制作萤光灯具，必须在灯管内注入对环境有害的汞蒸气，灯管破掉了会更危险，因为灯管内有汞蒸气和萤光粉，品质较差的产品还会有紫外线问题，在日益抬头的环保诉求下，萤光灯势必不是最佳的光源选择。

　　因为LED固态照明的发光技术与传统光源不同，产制、使用与回收方面均更具环保效益，但早期LED光源多应用于信号灯、指示灯的中/低亮度、低功率应用，发展过程无散热问题，如今为了发展“照明”应用，LED组件必须达到高亮度，又因发光塬理使然，其运行高温集中在单点，必须在散热处理上花费更多精神来进行设计。

　　散热处理为LED灯具设计关键

　　LED与传统光源一样会在发光时产生高热，只是钨丝灯光源将热集中在灯丝中，但LED的光源热度却集中在发光二极体的PN接面上，两者相较起来，钨丝灯的散热面积仍远大于PN接面的面积，甚至PN接面可以视为1个点，LED发光产生的热能全部集中在单一点上。

　　在工程设计方面，“面」形式产生的热可用散热片或是自体增加热对流空间即可处理，但“点」状的热源在散热处理就更为复杂与困难，处理不妥很容易造成PN接面因高热、高电流出现击穿损坏，而组件长期处于高热，也会让产品的可用寿命受到影响。

　　LED 晶粒为提升亮度表现，必须在单位LED上施加更多电源功率，同时灯具设计也会采较多数量的LED同时运行，这将使灯具内产生大量的热。当单颗LED晶粒随亮度提升，功耗也由0.1W提升到1、3、甚至5W，经LED光源模型实测分析结果，封装模组也会因增加发光效能而出现热阻抗攀升的问题。

　　LED 平均寿命会随着施加功率提升而缩短，塬本单颗LED组件具20,000~40,000小时寿命，可能因功率与散热处理不佳降至仅2,000小时！散热处理若从组件端着手，可在芯片设计阶段即进行散热规划，针对LED磊晶进行的散热设计方式，针对高功率、高亮度的LED组件使用覆晶(Flip-Chip)形式，利用覆晶将磊晶内的热传导出来。另一种方式是采垂直电极制作LED，可在散热问题上得到更大帮助。

　　一般LED制程利用光学环氧树脂包住LED，藉此使LED具更强的机械强度以保护组件内线路，但环氧树脂同时限制组件操作温度范围。高亮度、高功率LED组件改用Lumileds Luxeon封装法，散热路径改为集中在下方金属，同时改用光学、耐高温、耐强光硅树脂封装。电路载板也是LED光源的重要散热途径，一般产品采 FR4(PCB)制作，热传导性能表现一般，改善作法为采MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board)、 IMS(Integrated Metal Substrate)处理，提升载板的热传导能力。

　　发展LED日常照明应用，必须正视组件的散热处理要求，从LED组件端即处理散热问题。

　　不同应用环境需针对取代灯具进行优化设计

　　LED 光源必须因应实际现场需求改变设计，多数装设环境不会有直流电源供应，而LED必须采直流驱动，为让LED光源可达到便利替换，须朝电源转换的设计方向进行整合。如果开发目的是为取代白炽灯的灯泡型产品，因为灯泡尺寸较小，空间上的限制将使LED灯泡开发的技术挑战更高。

　　LED灯泡型产品多会在接座使用大量铝挤构型，让内部电路、LED可透过铝材高速传导热的特性，处理应用时的高热问题，同时采用模组化LED光源驱动芯片，整合主动散热控制、温度侦测、LED晶粒驱动等电路，使内部电子电路线路简化，同时减轻离散组件过多造成的内部温度传导对流受阻问题。

　　装潢常见的嵌入式灯具，目前也是LED光源常见的产品路线，传统嵌入灯具多采用卤素灯泡，会有高热、能源使用效率低等问题，LED嵌灯设计为呈现柔和光线，必须利用光学处理改善LED光型，此也会造成产品体积加大问题。此外，嵌灯体积限制大、散热要求高，因此产品多数采分布式设计，像是将电源电路与灯体分离设计，让电源转换电路不会影响LED灯具模组的内部散热，有效缩小产品体积、增加散热组件的设置空间。