LED 照明應(yīng)用趨勢及散熱問題由于固態(tài)光源(Solid State Lighting)技術(shù)不斷進步，使近年來LED 的發(fā)光效率提升，逐漸能取代傳統(tǒng)光源，目前發(fā)光效率已追過白熾燈及鹵素燈而持續(xù)向上成長，如圖1所示。而一些公司更已開發(fā)出效率突破100lm/W 的LED 元件，這也使得LED 的照明應(yīng)用越來越廣，不但已開始應(yīng)用于室內(nèi)及戶外照明、手機背光模組及汽車方向燈等，更看好在高瓦數(shù)的投射燈及路燈等強光照明、大尺寸背光模組以及汽車頭燈等的應(yīng)用。由于擁有省電、環(huán)保及壽命長等優(yōu)點，更使未來以LED 光源為主流的趨勢越趨明顯。
圖1 LED 發(fā)光效率趨勢比較
為了讓LED 發(fā)更亮的光而需要輸入更高的功率，然而目前高功率LED 的光電轉(zhuǎn)換效率(Wall-Plug-Efficiency; WPE)值仍然有限，一般僅有約15~25% 的輸入功率成為光，其馀則會轉(zhuǎn)換成熱能。由于LED晶片面積很小(~1mm2)，因此使高功率LED單位面積的發(fā)熱量（發(fā)熱密度）非常高，甚至較一般的 IC 元件更為嚴重，也使得LED 晶片的接面溫度(Junction Temperature)大為提升，容易造成過熱問題。過高的晶片接面溫度會使LED 的發(fā)光亮度降低，其中以紅光的衰減最為明顯。也會造成LED 的波長偏移而影響演色性，更會造成LED 可靠度的大幅降低，如圖2所示，因此散熱技術(shù)已成為目前LED 技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
圖2 元件壽命和晶片溫度的關(guān)系
LED 照明應(yīng)用趨勢及散熱問題由于固態(tài)光源(Solid State Lighting)技術(shù)不斷進步，使近年來LED 的發(fā)光效率提升，逐漸能取代傳統(tǒng)光源，目前發(fā)光效率已追過白熾燈及鹵素燈而持續(xù)向上成長，如圖1所示。而一些公司更已開發(fā)出效率突破100lm/W 的LED 元件，這也使得LED 的照明應(yīng)用越來越廣，不但已開始應(yīng)用于室內(nèi)及戶外照明、手機背光模組及汽車方向燈等，更看好在高瓦數(shù)的投射燈及路燈等強光照明、大尺寸背光模組以及汽車頭燈等的應(yīng)用。由于擁有省電、環(huán)保及壽命長等優(yōu)點，更使未來以LED 光源為主流的趨勢越趨明顯。
圖1 LED 發(fā)光效率趨勢比較
為了讓LED 發(fā)更亮的光而需要輸入更高的功率，然而目前高功率LED 的光電轉(zhuǎn)換效率(Wall-Plug-Efficiency; WPE)值仍然有限，一般僅有約15~25% 的輸入功率成為光，其馀則會轉(zhuǎn)換成熱能。由于LED晶片面積很小(~1mm2)，因此使高功率LED單位面積的發(fā)熱量（發(fā)熱密度）非常高，甚至較一般的 IC 元件更為嚴重，也使得LED 晶片的接面溫度(Junction Temperature)大為提升，容易造成過熱問題。過高的晶片接面溫度會使LED 的發(fā)光亮度降低，其中以紅光的衰減最為明顯。也會造成LED 的波長偏移而影響演色性，更會造成LED 可靠度的大幅降低，如圖2所示，因此散熱技術(shù)已成為目前LED 技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
圖2 元件壽命和晶片溫度的關(guān)系
因此散熱設(shè)計的挑戰(zhàn)較大，必須從晶片層級、封裝層級、PCB 層級到系統(tǒng)模組層級，都要非常重視散熱設(shè)計，并尋求最佳的散熱方桉。對于LED 照明產(chǎn)品而言，由于系統(tǒng)端的散熱限制較大，因此其它層級的散熱需求就更明顯。
對于LED 熱傳問題，最基本的分析方法就是利用熱阻網(wǎng)路進行分析。也就是將LED 由晶片熱源到環(huán)境溫度的主要散熱路徑建構(gòu)熱阻網(wǎng)路，如圖3所示，然后分析各熱阻值的特性及大小，如此可以推算理想狀況時的晶片溫度，并針對熱阻網(wǎng)路各部分下對策以降低熱阻值。需注意的是，圖3是就Chip Level 、Package Level 、Board Level 及System Level 組成的熱阻網(wǎng)路。實際分析時可依據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成更詳細的熱阻網(wǎng)路，例如考慮Die Attach 材料及Solder 等介面材料之熱阻，或是散熱模組結(jié)構(gòu)之熱阻值。
圖3 LED 散熱路徑及熱阻網(wǎng)路
Chip Level 、Package Level 和PCB Level 的散熱設(shè)計
由于LED 晶片的Sapphire 基板導熱特性較差，會造成圖3之熱阻值Rjs 過高，因此改善方式必須用高導熱的材料如銅取代Sapphire ，或是采用覆晶方式將基板移開熱傳路徑，以降低熱阻值。
目前在晶片到封裝層級性能較佳的散熱設(shè)計，包括共融合金基板及覆晶形式等設(shè)計，使熱更容易從晶片傳到封裝中。而增加晶片尺寸以降低發(fā)熱密度也是可行的方向。在封裝散熱設(shè)計技術(shù)上，利用高導熱金屬(Al, Cu..)的散熱座，如圖4所示，及高導熱陶瓷基板(AlN, SiC...)等設(shè)計則可將晶片的熱迅速擴散，有效降低封裝熱阻值Rsc 。在PCB 層級的散熱設(shè)計上，和傳統(tǒng)PCB 不同的地方主要是由于LED 發(fā)熱密度太大，傳統(tǒng)FR4+ 銅箔層的散熱能力有限，因此需要藉由較厚的金屬層以降低擴散熱阻(Spreading Resistance)，此種結(jié)構(gòu)稱為MCPCB (Metal Core PCB)。
MCPCB的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括較厚的金屬層、介電層及銅箔層。可將封裝的熱進一步擴散并迅速傳到系統(tǒng)模組的散熱元件，以縮小熱阻值 Rcb。
圖4 高功率LED 之封裝結(jié)構(gòu)及Heat Slug 結(jié)構(gòu)
圖5 MCPCB 結(jié)構(gòu)圖
為了降低元件熱阻值，目前一些設(shè)計採用Chip-on-board 的設(shè)計，直接將LED 晶片設(shè)計在MCPCB 上，而減少封裝材料及Solder 界面材料的熱阻值，因此提升散熱效果，目前許多公司的產(chǎn)品也採用此種設(shè)計方式(Lamina Inc., Citizen Inc., OSRAM Inc, Avago Technologies...)。然而，此種設(shè)計增加了光學設(shè)計的困難及造成製程可靠度問題，設(shè)計上較為複雜。
散熱模組的散熱設(shè)計
圖6是一種LED 燈具的結(jié)構(gòu)及其較完整的熱阻網(wǎng)路相對關(guān)系圖，透過熱阻網(wǎng)路的建構(gòu)及計算，可以了解模組各部份的散熱情形，以進行溫度計算評估或是散熱對策設(shè)計。LED 模組的散熱設(shè)計在PackageLevel 及Board Level 以傳導為主，因此如何縮短散熱路徑、提升熱傳導率以及傳熱面積是主要重點，而在System Level 則是以對流及輻射方式為主，由于LED 壽命高及低成本的要求，因此不需風扇被動形式的自然對流，是成本最低及可靠度最高的散熱方式，而以各階層的熱阻值在熱阻網(wǎng)路所佔的比例來看，由于自然對流散熱能力有限，因此由散熱模組散到空氣中的熱阻一般都佔了較重的比例。
圖6 LED 燈具之熱阻網(wǎng)路
和電子產(chǎn)品不同的是，一般電子產(chǎn)品系統(tǒng)有通風口，因此PCB 可透過對流及輻射傳熱到空氣，而LED 照明產(chǎn)品許多是密閉的，因此限制了元件的散熱能力。由于散熱模組帶走熱的能力和散熱設(shè)計方式有很大關(guān)係，如何提升與空氣接觸面積、提升對流係數(shù)或是增加輻射熱傳效果是主要設(shè)計方向。在照明應(yīng)用時，由于一些機構(gòu)如接頭甚至外型等須符合傳統(tǒng)燈具規(guī)格（如MR16），以及重量的要求，因此更進一步限制了散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計，造成散熱的挑戰(zhàn)，也使在散熱設(shè)計時需要更為注意最佳化的設(shè)計。
新散熱技術(shù)的應(yīng)用
一些新的技術(shù)也開始應(yīng)用于LED 照明，如利用合成式噴流(Synthetic Jet)原理製作的PAR-38 LED Lamp。和風扇不同的是此設(shè)計利用膜片震盪，壓縮空氣通過噴嘴，利用一次噴流造成的負壓推動中心噴流而增加流體流速，散熱效能較傳統(tǒng)風扇散熱方式高。由于不需風扇，因此可靠度提升，而噪音也小。利用日冕放電(Corona Discharge)原理製作的電流力幫浦(Electro-aerodynamic Pumping)為動力的固態(tài)風扇，利用帶電離子的迅速移動產(chǎn)生對流，具有高風量的優(yōu)點，同時功耗降低及提升可靠度，如圖十八所示。工研院電光所利用熱電元件作為LED 元件散熱應(yīng)用并實際整合于LED 模組封裝，利用固態(tài)的熱電冷卻原理(Peltier Effect)降低LED 晶片溫度，結(jié)果顯示熱電元件可大幅降低元件熱阻值，并提升發(fā)光亮度，如圖7所示。
圖7 整合熱電元件之LED 散熱設(shè)計
圖8 固態(tài)風扇
此外也研究利用壓電風扇等散熱技術(shù)，進行高功率LED 散熱設(shè)計。而高散熱能力的微流道散熱能力可達500W，而微噴流的設(shè)計散熱能力也可達200W 以上，其應(yīng)用在未來值得重視。除了應(yīng)用新的散熱技術(shù)，新的散熱材料也開始應(yīng)用于LED 照明散熱，例如可射出成型的高導熱塑膠，熱傳導率可達20W/mK ，可應(yīng)用于燈具的外殼。而高導熱碳纖維、奈米碳管及類鑽石等高導熱材料也開始應(yīng)用于LED 散熱，使得LED 照明產(chǎn)品的散熱設(shè)計越來越多元化。
LED 照明產(chǎn)品的散熱設(shè)計非常重要，關(guān)係到產(chǎn)品的品質(zhì)及壽命。透過熱阻網(wǎng)路可迅速分析散熱能力及需求并尋求散熱對策，由于高功率LED 發(fā)熱密度很大，必須從Chip Level、Package Level、Board Level到System Level 各層級進行散熱設(shè)計，降低熱阻，才能得到最佳的散熱效果。目前國際上各大LED 晶片及封裝廠商都致力于發(fā)展發(fā)光效率更高的產(chǎn)品，透過提升光的量子效率等方式提升光電轉(zhuǎn)換效率，以降低晶片發(fā)熱量，希望能在2012 年前將發(fā)光效率提升至150lm/W ，而發(fā)熱比例降低到25% ，將可使散熱的瓶頸大為降低，也可使被動形式的散熱設(shè)計更能應(yīng)用于各種高功率LED 產(chǎn)品。但這畢竟非一蹴可及，仍具有相當?shù)睦щy度。為了使LED 產(chǎn)品的發(fā)展及應(yīng)用更為快速，相關(guān)的散熱技術(shù)仍需同步發(fā)展。由于人類對于生活品質(zhì)的需求不斷提升，就如同IC 產(chǎn)品對于散熱的需求一直存在，散熱設(shè)計在各種高功率LED的產(chǎn)品設(shè)計中仍將佔有重要的地位。
節(jié)能減排熱潮下 如何提升LED道路照明可靠性
LED道路照明應(yīng)用在各地政策推動下建設(shè)的如火如荼，LED作為綠色照明產(chǎn)品應(yīng)用于路燈照明，也是地方培育以低碳排放為特征的新的經(jīng)濟增長點，拉動經(jīng)濟社會發(fā)展的新“引擎”。但由于產(chǎn)品品種多、技術(shù)難度大、各家企業(yè)的技術(shù)水平差異和評價方式不一等原因，導致部分地區(qū)也有不成功的案例，為此中國半導體照明網(wǎng)編輯連線了鑫源盛科技股份有限公司技術(shù)總監(jiān)管新寧Ph.D.就LED道路照明的可靠性問題，作了了解，希望對業(yè)內(nèi)有所啟迪。
管新寧先生對失敗案例有自己的看法，他認為：“近年來在全球環(huán)保潮流之下，LED照明產(chǎn)業(yè)迅速興起，有許多科技公司投入此新興產(chǎn)業(yè)，但由于LED照明信賴性能標準未能實時訂定、妥為規(guī)范，導致個別產(chǎn)品無法通過考驗、嚴重光衰收場，主要原因是無設(shè)計理論性研究為檢視支柱，因而造成使用業(yè)主疑慮，也因此推遲產(chǎn)業(yè)發(fā)展時機。為此LED照明解決方案供貨商鑫源盛科技(Thermalking)，提供了高性能LED路燈多項組件至燈具系統(tǒng)的各項重要技術(shù)指針規(guī)格數(shù)據(jù)，供業(yè)界參考。”
LED芯片與封裝組件發(fā)光效率關(guān)鍵技術(shù)指針部分，首要之LED芯片與封裝組件關(guān)鍵技術(shù)，歐美、日廠商均已量產(chǎn)突破發(fā)光效率100~120lm/W以上，超越傳統(tǒng)最高效率的HID光源(發(fā)光效率90~110lm/W)，解決目前LED燈具總體光效不足≧45lm/W問題，滿足道路照明壽命長、光衰低，符合國際標準平均照度，達25~40Lux規(guī)格與節(jié)能30~60%需求。
LED發(fā)光效率、溫升與壽命規(guī)格關(guān)鍵技術(shù)指針部分，檢視CREE或Osram LED等業(yè)者所公布的數(shù)據(jù)，其芯片PN結(jié)工作溫度Tj＜75~85℃，方能確保高于85%出光效率下工作壽命達5萬小時，且芯片PN結(jié)至本身導熱片(Tjs)溫升為ΔT＝6~15℃之間，另外LED光效率與工作溫度成反比性能特性，每升高10℃，就會導致光衰3~6%并且壽命減半的嚴重后果，與一般宣傳LED可工作于100~125℃壽命可達10萬小時以上的論點,卻忽略在此條件下已造成光效率折損25~30%的觀念相去甚遠。
LED路燈系統(tǒng)熱傳散熱環(huán)境溫度關(guān)鍵技術(shù)指針部分，此類燈具系統(tǒng)工作溫度不得高于85-10=75℃；臺灣LED道路燈具規(guī)范CNS15233規(guī)定，耐久性試驗環(huán)境溫度為50℃，因此路燈散熱系統(tǒng)溫升必須小于ΔT≦25℃。以鑫源盛科技150W LED路燈為例，熱傳散熱系統(tǒng)溫升測試低達ΔT≦13℃，計算其熱阻值Tr=0.08℃/W，而多數(shù)業(yè)界廠商設(shè)計系統(tǒng)溫升測試ΔT≒30~40℃，計算其熱阻值Tr=0.2~0.26℃/W；以相同條件下鑫源盛科技的產(chǎn)品較其它廠商產(chǎn)品壽命將增長2倍且亮度增加15%以上。另外以鑫源盛科技350W LED燈具測試，其散熱系統(tǒng)溫升仍能達成ΔT＝15℃，熱阻值Tr＝0.04℃/W。
LED路燈系統(tǒng)熱傳散熱關(guān)鍵技術(shù)部份，電子機器設(shè)備熱傳、散熱方法有適用于小功率自然散熱方法，目前如MR16/PAR30由1~70W產(chǎn)品，系統(tǒng)溫升已高達30~40℃。若超過100W仍使用自然散熱方法，就如同目前市面上大部分產(chǎn)品，必須使用大量鋁合金材料增加導熱量和超大的熱交換面積，體積重量動輒2、30Kg，非但增加燈具成本更增添了燈桿燈具安全懸掛的風險。自然散熱的定律為使用越重越大面積的金屬材料來降低溫度，效果越好，但僅鋁合金材料成本即增加60~200元新臺幣/公斤，若干廠商號稱使用熱管或回路熱管即可達到散熱效果，這僅僅解決了熱傳導，不論是熱管或者是回路熱管都只有熱傳導的功能并沒有散熱的功能，若要達到良好散熱必須使用相對瓦數(shù)的有效散熱面積也就是必須增加大面積的金屬材料來做熱交換；否則必須改用工業(yè)級高信賴性冷氣機空調(diào)、計算機CPU等高階大功率產(chǎn)品所使用之主動強制散熱方法，高效率、軍規(guī)的小風扇壽命保證7萬小時，并具備IP65防水防塵等級，再加上熱導管與散熱鋁鰭片等適當?shù)脑c合理的機構(gòu)設(shè)計，經(jīng)過測試燈具系統(tǒng)溫升可低達ΔT≦12~15℃，與自然散熱方法比較降溫達25℃，壽命將增加2倍且光效率亮度增加10~15%以上。
LED路燈系統(tǒng)可靠性、耐久性 環(huán)境適應(yīng)性能測試指標部分，一般LED燈具產(chǎn)品設(shè)計均未考慮到落塵防護系統(tǒng)，室外道路用燈具必需完全防止砂塵暴、膠質(zhì)懸浮物、重力落塵堆積于散熱結(jié)構(gòu)，以避免導致LED過熱燒毀之問題。若散熱結(jié)構(gòu)朝向天面導致落塵堆積，熱累積無法發(fā)散，將可能產(chǎn)生LED光衰及燒毀狀況。要解決以上問題，可設(shè)計采用散熱結(jié)構(gòu)朝向地面來因應(yīng)。其它抗鹽霧測試等等，鑫源盛科技現(xiàn)有產(chǎn)品經(jīng)戶外測試時間2萬小時后，光衰＜10%、狀況良好。主干道路照明光學設(shè)計亦可達到世界標準，即10公尺高燈桿必須平均照亮橫幅40公尺的長型路面，解決高難度光學鏡片設(shè)計，達到高寬比1:4之要求。另外核心燈芯技術(shù)模塊亦達到了輕巧化，不需依賴燈殼做為散熱體，因此燈體外型設(shè)計可任意變化形狀，達成各城市美觀特色。
做為一個高科技節(jié)能照明產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員必須認清，良好的燈具散熱包含熱傳導、均溫性、熱交換等復雜的熱傳學傳統(tǒng)基礎(chǔ)硬理論為依歸，并非坊間所稱LED燈是冷光不發(fā)熱,又有以高貴的奈米科技或航天科技等單一原件或特殊材料尋求解決。終端客戶霧里看花之際，必須正視LED路燈的性能必須要有科學的數(shù)據(jù)、理論做支撐、完善的系統(tǒng)設(shè)計方法為方針、良好的制程為基礎(chǔ)，最后在以第三公正單位的檢測報告為依據(jù)，這樣才不會一再發(fā)生光衰退貨阻礙產(chǎn)業(yè)發(fā)展的惡性循環(huán)，臺灣鑫源盛科技愿意與全世界同業(yè)共同分享多年來的研究成果以及專利技術(shù)，其中包含了強制散熱、向下散熱、液態(tài)散熱等發(fā)明專利與數(shù)十項新型專利，共同攜手照亮全世界。