散熱處理為高亮度LED燈具設計關鍵

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

　　現有的LED產制技術，單顆組件所產生的流明數，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，使用者也不會對其照明效果要求過多，亦是目前LED使用場合的大宗。

　　放大LED燈泡型產品，必須在有限空間內設置交換式電源、溫控電路、主動散熱風扇驅動電路等，空間挑戰性高。

　　LED照明為了達到等效傳統光源，并成為替代型環保光源，其發光源的亮度要求就成了一個關鍵的技術突破點，目前單顆發光效能即便是最亮的量產型產品，單一組件的亮度仍無法達到取代作用，必須透過數顆或數十顆并聯形式發光，才能達到接近傳統光源的照明效果。

　　效率、環保問題 LED光源應用漸受重視

　　觀察日常用的照明光源，以鎢絲燈為基礎的白熾燈，和以氣體放電發光為基礎的螢光燈(compact fluorescent lamp；CFL)為多。白熾燈透過加熱，使鎢絲產生高熱發光，在物理特性方面會因高熱產生嚴重的效率損失，其發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生發光效果，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境有害的汞蒸氣，燈管破掉了會更危險，因為燈管內有汞蒸氣和螢光粉，品質較差的產品還會有紫外線問題，在日益抬頭的環保訴求下，螢光燈勢必不是最佳的光源選擇。

　　因為LED固態照明的發光技術與傳統光源不同，產制、使用與回收方面均更具環保效益，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，發展過程無散熱問題，如今為了發展“照明”應用，LED組件必須達到高亮度，又因發光塬理使然，其運行高溫集中在單點，必須在散熱處理上花費更多精神來進行設計。

　　散熱處理為LED燈具設計關鍵

　　LED與傳統光源一樣會在發光時產生高熱，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光二極體的PN接面上，兩者相較起來，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個點，LED發光產生的熱能全部集中在單一點上。

　　在工程設計方面，“面」形式產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」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，而組件長期處于高熱，也會讓產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，同時燈具設計也會采較多數量的LED同時運行，這將使燈具內產生大量的熱。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LED光源模型實測分析結果，封裝模組也會因增加發光效能而出現熱阻抗攀升的問題。

　　LED 平均壽命會隨著施加功率提升而縮短，塬本單顆LED組件具20,000~40,000小時壽命，可能因功率與散熱處理不佳降至僅2,000小時！散熱處理若從組件端著手，可在芯片設計階段即進行散熱規劃，針對LED磊晶進行的散熱設計方式，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。另一種方式是采垂直電極制作LED，可在散熱問題上得到更大幫助。

　　一般LED制程利用光學環氧樹脂包住LED，藉此使LED具更強的機械強度以保護組件內線路，但環氧樹脂同時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，同時改用光學、耐高溫、耐強光硅樹脂封裝。電路載板也是LED光源的重要散熱途徑，一般產品采 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題。

　　不同應用環境 需針對取代燈具進行優化設計

　　LED 光源必須因應實際現場需求改變設計，多數裝設環境不會有直流電源供應，而LED必須采直流驅動，為讓LED光源可達到便利替換，須朝電源轉換的設計方向進行整合。如果開發目的是為取代白熾燈的燈泡型產品，因為燈泡尺寸較小，空間上的限制將使LED燈泡開發的技術挑戰更高。

　　LED燈泡型產品多會在接座使用大量鋁擠構型，讓內部電路、LED可透過鋁材高速傳導熱的特性，處理應用時的高熱問題，同時采用模組化LED光源驅動芯片，整合主動散熱控制、溫度偵測、LED晶粒驅動等電路，使內部電子電路線路簡化，同時減輕離散組件過多造成的內部溫度傳導對流受阻問題。

　　裝潢常見的嵌入式燈具，目前也是LED光源常見的產品路線，傳統嵌入燈具多采用鹵素燈泡，會有高熱、能源使用效率低等問題，LED嵌燈設計為呈現柔和光線，必須利用光學處理改善LED光型，此也會造成產品體積加大問題。此外，嵌燈體積限制大、散熱要求高，因此產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影響LED燈具模組的內部散熱，有效縮小產品體積、增加散熱組件的設置空間。

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

來源：DIGITIMES