LED(Light Emitting Diode)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。
圖1：LED條燈采富彈性,、可撓性的塑膠材質(zhì)接合,，可用于營(yíng)造情境的輔助光源設(shè)計(jì)
圖2：LED燈泡可用電路空間有限,，可利用整合電源IC與安全控溫晶片，縮減PCB尺寸,，因應(yīng)極小化的設(shè)計(jì)需求
因?yàn)長(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，雖然采高頻氣體放電的光電技術(shù)去達(dá)到省電效益,，但實(shí)際上螢光燈管制程無(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,。
圖3：加強(qiáng)燈具亮度最直接的方法，就是增加LED發(fā)光組件數(shù)量,，這類燈具多采全金屬外殼制作,，以利散熱處理,。
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,，而與一般矽晶片類似，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,。
圖4：目前單顆LED亮度持續(xù)提升，也有采取單顆LED高亮度光源,、搭配簡(jiǎn)化電源模塊的嵌燈設(shè)計(jì)
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)讓原本可能具有20,000小時(shí)使用壽命的LED光源元件,，因?yàn)樯嵊绊懀档偷絻H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)多半也采取模組化概念開(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)長(zhǎng)ED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。
若由熱阻抗模組觀察所制作的熱流模型,，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pn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,。
圖5：高照明效果的天*板燈,，其LED需高功率驅(qū)動(dòng)發(fā)光，因此整合的電源模塊,、散熱模塊成本也會(huì)較高,。
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,、封裝的塑料，再將觀察擴(kuò)及LED光源模組,，即會(huì)有LED元件,、接合的金屬接腳、Metal Core PCB (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)阻抗的熱回路，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^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)光源的散熱改善方式
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)的晶片制法,，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)系數(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，是采行“垂直”電極的方式去制作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，采用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)增加元件的制作成本,。
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制作過(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，借此來(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范圍,，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,。
圖6：亮度強(qiáng)化的燈具，局部高溫問(wèn)題也會(huì)加劇,，必須搭配更強(qiáng)力的主動(dòng)散熱技術(shù)因應(yīng),。
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)的炮彈式封裝技術(shù),，在高亮度,、高功率的LED元件方面，多數(shù)改用Lumileds Luxeon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)異的矽樹(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,，比較一般的作法即采FR4(PCB)制作,，熱傳導(dǎo)性能中上表現(xiàn)的會(huì)采取金屬基PCB，如MCPCB,、Integrated Metal Substrate(IMS)處理,，進(jìn)階高效能熱傳導(dǎo)能力的會(huì)采取陶瓷基板(Ceramic)去制作,。
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,，但制作成本為中高價(jià)位。 陶瓷基板(Ceramic)的單價(jià)與成本更高,，因?yàn)樘沾傻臒崤蛎浵禂?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)仍有制程、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,。
外觀機(jī)殼、構(gòu)型限制與模組化線路設(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AC LED方向設(shè)計(jì)，但實(shí)際上，AC LED的發(fā)展成本仍高,，而相關(guān)產(chǎn)品的現(xiàn)況仍待觀察,，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,，若是為取代原有白熾燈的設(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)，電路多采模組化設(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)受空間限制而必須采取折衷或是讓產(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,，在燈泡接座大量采鋁擠構(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,，而采取模組化搭配晶片解決方案,，讓內(nèi)部線路大幅簡(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,，因?yàn)榍度胧綗艟?嵌燈)，常見(jiàn)設(shè)計(jì)是采用鹵素?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，雖然也有采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)使用這類光源,。 回到LED固態(tài)光源取代這類室內(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,，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)品采取利用封裝技術(shù)去改善光型，但大體上能修整光線型態(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*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),。