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淺談LED燈具的散熱設(shè)計(jì)

文檔作者：陳筱舒,蔡依趁,陳佩欣文檔來源：鑫源盛科技股份有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年07月28日
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淺談LED燈具的散熱設(shè)計(jì)
陳筱舒,蔡依趁,陳佩欣
鑫源盛科技股份有限公司

*? ■
—刖吞
LED又稱發(fā)光二極管（Light Emitting Diode ）,屬 于半導(dǎo)體元件，自1962年美國通用電氣公司開發(fā)出全 球第一種可實(shí)際應(yīng)用的紅光LED開始，至今LED已邁入 全彩時(shí)代。LED的發(fā)光原理簡單來說是由含電洞之P型 半導(dǎo)體與含電子之N型半導(dǎo)體結(jié)合成之P-N二極管，在 P-N二極管兩端加上順向偏壓，當(dāng)電流通過時(shí)，電子與 電洞流至接合面接合時(shí)會放出能量而發(fā)光（簡易圖說 如下）。
 
SI LED發(fā)光原理
LED本身是單色光源，如今隨著光效提升及藍(lán)光 LED的出現(xiàn)，它的應(yīng)用也逐漸偏向多元化，從早先的低 功率電源指示燈演進(jìn)成LED背光模塊和LED照明等高功 率應(yīng)用。LED被譽(yù)為21世紀(jì)的照明新光源，它具有效率 高、壽命長、省能源、不易破損、環(huán)保無汞等傳統(tǒng)光源 無法與之比較的優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)能減碳及環(huán)保意識方興未艾 之際，加上各國政府陸續(xù)宣示的能源政策（例如：美國 2007年頒布的“能源獨(dú)立和安全法案”提出白熾燈禁用 時(shí)程、曰本2010年修訂的"能源基本計(jì)劃”提出減碳目 標(biāo)），使得占生活用電大量比重的“照明”成為鼓勵汰 換的項(xiàng)目之一。能源趨勢、政府法令與LED發(fā)光特性三 者相乘作用之下，促使LED照明產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，也吸 引了國內(nèi)/外廠商對于LED上、中、下游產(chǎn)業(yè)的投入。
LED如同所有電子零件一般，在使用或運(yùn)作的過程 中都會產(chǎn)生熱能及溫升現(xiàn)象，如果忽視散熱問題，將導(dǎo) 致LED因高溫而提早燒毀的結(jié)果。LED燈具的設(shè)計(jì)較傳 統(tǒng)燈具復(fù)雜，包含光學(xué)、機(jī)構(gòu)、電子及散熱，其中“散 熱”尤其重要，因?yàn)槟壳案吖β蔐ED燈具的轉(zhuǎn)換率僅有 20%會轉(zhuǎn)換成光，其余80%會轉(zhuǎn)換為熱，如果不能將熱 量導(dǎo)出燈具之外，將無法達(dá)到LED光源宣稱的50,000小 時(shí)壽命，同時(shí)熱量會影響LED的發(fā)光效率，導(dǎo)致嚴(yán)重光 衰及燈具毀損的慘況。
二LED燈具的散熱設(shè)計(jì)
LED的發(fā)光效率及壽命與工作溫度息息相關(guān)，呈 現(xiàn)反比關(guān)系，下圖為美國CREE所發(fā)布的LED壽命報(bào) 告，溫度每下降1 O^C壽命將延長2倍且光通量提升 3%~8%o
 
lime (fMMir*)
圖2 LED壽命報(bào)告 資料來源:CREE

由于高功率LED技術(shù)的發(fā)展，使得LED燈具面臨到 熱管理和散熱設(shè)計(jì)的嚴(yán)苛挑戰(zhàn)，因?yàn)闇囟壬卟坏珪?成亮度下降，當(dāng)溫度超過100乜時(shí)更會加速燈具本體及 封裝材料的劣化。因此，除了LED封裝元件本身的散熱 技術(shù)外，LED燈具的散熱及導(dǎo)熱設(shè)計(jì)更是維持燈具壽命 的最大關(guān)鍵。
LED應(yīng)用于戶外照明，其散熱設(shè)計(jì)相較于其他LED 終端產(chǎn)品（例如：LED背光面板、LED車用照明等）更 為復(fù)雜多元，因?yàn)長ED燈具的操作環(huán)境會因?yàn)闇囟茸?化、沙塵量、濕度等因素更加嚴(yán)苛。以LED路燈為例， 要能夠長時(shí)間于戶外環(huán)境工作，不僅必須符合安全法規(guī) 的要求（例如：UL、CE）,更需達(dá)到克服光學(xué)特性穩(wěn) 定性（如、光衰變化）、沙塵侵襲、鳥糞堆積、空氣中 膠質(zhì)懸浮物質(zhì)及水氣虹吸現(xiàn)象造成之防水防塵問題等可 靠度及惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。
在燈具設(shè)計(jì)方面，由LED蕊片、LED芯片基板、芯 片封裝、線路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)電路板、散熱鰭片到燈具外殼 再再都考驗(yàn)著LED產(chǎn)業(yè)上、中、下游的研發(fā)能力。傳統(tǒng) 用于指示燈的LED多為砲彈型結(jié)構(gòu)，其四周以絕緣性環(huán) 氧樹脂（epoxy ）進(jìn)行封裝，故LED晶粒所產(chǎn)生的熱能 主要由下方的兩根金屬導(dǎo)線以傳導(dǎo)方式往系統(tǒng)電路板方 向散出。然而當(dāng)LED跨入照明領(lǐng)域后，1W以上的高功 率LED成為主流，也為了增加熱傳導(dǎo)面積，照明用途之 LED改采平板式封裝，使LED芯片基板和系統(tǒng)電路板能 有較大的貼和面積。
砲彈型LED平板式LED 真明麗-7344 LED lamp Philips- LUXEON® Rebel
砲彈型LED	平板式LED
	
真明口-7344 LED lamp	Philips- LUXEON® Rebel
S3.砲彈型和平板式LED芯片

目前常見的LED芯片基板為陶瓷基板，其散熱性 佳，低膨脹系數(shù)等特性，減低因熱應(yīng)力而產(chǎn)生的變型， 其次還具有耐熱、耐潮、絕緣等優(yōu)點(diǎn)，故陶瓷基板成為 高功率照明用LED芯片基板的常用散熱材料。陶瓷基板 目前分為3大類：（1 ）氧化鋁（AI2O3）、（ 2 ）低溫共 燒陶瓷（LTCC ）、（ 3 ）氮化鋁（AIN ）,其中以AIN 之導(dǎo)熱性最佳，但技術(shù)門檻最高，故AIN多用于3W以 上之LED產(chǎn)品，而AI2O3則用于1W~3W的范圍，LTCC 則適用于大尺寸大功率、小尺寸小功率之LED產(chǎn)品。以 Cree XLamp LED系列為例，即采陶瓷基座優(yōu)化散熱能 力。
表1.散驅(qū)板的分類和膨脹性、導(dǎo)熱性介紹.
資料來源：大毅科技
	燉瓷基板	
品項(xiàng)	低溫共燒聞卷 （LTCC）?	氧化鋁
 ?	氮化錯 （AIN）。	金u蕊基板 （MCPCB）.
導(dǎo)熱系數(shù)（MnK）	2~3	22-32.	160-200-	
虜脹系數(shù)（ppm/
D		7.2-	5-6-	17*23-

在封裝方面，可采打線、共晶或覆晶三種方式將蕊 片和LED散熱基板連結(jié)，打線是藉由金屬導(dǎo)線連接LED 蕊片和芯片基板，蕊片產(chǎn)生的熱只能藉由導(dǎo)線進(jìn)行傳 導(dǎo)，散熱的效能受限于導(dǎo)線的材質(zhì)和細(xì)長的幾何型狀， 故散熱效能備受限制，相較之下共晶、覆晶之接合方 式，大幅減少導(dǎo)線長度并加大導(dǎo)線截面積，提升散熱傳 導(dǎo)能力。 
在線路改良方面，有廠商推出高壓LED產(chǎn)品，其原 理是將許多小功率LED進(jìn)行串連，得到高電壓、小電流 的產(chǎn)品。高壓LED多用于球泡燈、燈管、投射燈等空間 受限的照明產(chǎn)品，可減低控制線路布置上的困難性。相 較于一般LED,高壓LED的驅(qū)動電流較小，產(chǎn)生的熱量 也相對較少，可避免掉入”溫度上升一阻抗下降一電流 增加-熱能增加-溫度上升”的惡性循環(huán)中，可設(shè)計(jì)出 系統(tǒng)穩(wěn)定性較佳的LED燈具。
LED芯片基板后，同樣于傳遞熱量具有重責(zé)大任 的系統(tǒng)電路板，LED芯片藉由焊接和系統(tǒng)電路板進(jìn)行 連結(jié)，由芯片所產(chǎn)生的熱能也由芯片基板傳導(dǎo)到系統(tǒng) 電路板，目前常用的為具有高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬蕊基板 （Metal Core PCB； MCPCB ）,雖然前述有提過陶瓷 基板的導(dǎo)熱性能佳，但因系統(tǒng)電路板之面積較大，在考 量成本因素和燈具重量等因素，多會舍棄陶瓷基板， 改用MCPCB做為系統(tǒng)電路板。MCPCB由3層結(jié)構(gòu)所構(gòu) 成，由上而下分別為導(dǎo)電線路層、高導(dǎo)熱絕緣層和金屬 基板，其中高導(dǎo)熱絕緣層的材質(zhì)須慎選，若使用高膨脹 系數(shù)的材質(zhì)，絕緣層易在高溫下膨脹而產(chǎn)生裂縫、空 洞，反而使空氣進(jìn)入MCPCB中，形成額外的熱阻抗， 降低導(dǎo)熱的效率，部分廠商會于導(dǎo)熱絕緣層和金屬基版 間噴涂陶瓷散熱漆，可提高絕緣層的絕緣阻抗、節(jié)省多 層導(dǎo)熱膠的材料成本和加強(qiáng)MCPCB的散熱能力；最底 層的金屬基板多采用鋁合金，利用鋁合金較佳的散熱特 性，達(dá)到熱傳導(dǎo)的目的。
系統(tǒng)電路板的后端結(jié)合著散熱系統(tǒng)進(jìn)行散熱，散熱 系統(tǒng)可分為主動式散熱和被動式散熱，主動式散熱包含 風(fēng)扇強(qiáng)制散熱和磁力噴流散熱，被動式散熱包含自然對 流散熱、回路熱管散熱，其下將一一介紹：
1風(fēng)扇強(qiáng)制散熱
風(fēng)扇強(qiáng)制散熱顧名思義就是藉由風(fēng)扇產(chǎn)生空氣對 流，將熱空氣導(dǎo)出燈具本體外來進(jìn)行散熱，使用風(fēng)扇強(qiáng) 制散熱可以非常有效的將熱排出，在計(jì)算機(jī)、冷氣及 汽車中都以風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制散熱，目前鑫源盛科技的S01 Glory Series LED路燈系列即采用風(fēng)扇強(qiáng)制散熱技術(shù)。
2電磁噴流散熱
電磁噴流散熱不使用風(fēng)扇扇葉產(chǎn)生氣流，其結(jié)構(gòu) 為一具有薄膜之中空腔體，其利用電磁或壓電驅(qū)動器以 每秒100-200次的頻率振蕩薄膜，促使薄膜進(jìn)行上下振 蕩，隨著薄膜的上下位移，空氣會流入中空腔體再行噴 岀，噴出后的氣流會帶動周邊空氣產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，強(qiáng) 化空氣對流能力，目前已應(yīng)用于GE 27W Energy Smart LED球泡燈。
3自然對流散熱
自然對流散熱是透過散熱器（例如：散熱鰭片、 燈具燈殼、系統(tǒng)電路板等）和空氣進(jìn)行直接接觸，散 熱器周邊的空氣因吸收熱量成為熱空氣，接著熱空氣上 升，冷空氣下降，自然就會帶動空氣產(chǎn)生對流，達(dá)到散 熱的效果。隨著高功率燈具產(chǎn)品的推出，使用自然對流 散熱需有較大的散熱表面積，故散熱鰭片因應(yīng)而生，多 數(shù)加裝于燈具背面，提供較大的散熱面積，強(qiáng)化對流散 熱的效果，陽全光電之LED天井燈即采用鰭片自然散熱 技術(shù)。
散熱鰭片的使用雖增加散熱效果，但也增加了燈 具的整體重量和成本，更增添了立桿型燈具安全懸掛的 風(fēng)險(xiǎn)，此外，LED燈具常面臨落塵堆積等問題，一旦經(jīng) 過長時(shí)間的使用，過多的臟污、灰塵累積于散熱鰭片， 將弱化散熱能力，相較之下部分業(yè)者選擇將散熱鰭片設(shè) 計(jì)與燈具發(fā)光面同向（向下散熱），徹底避免了落塵堆 積的問題，市面上由鑫源盛科技所生產(chǎn)的多款LED路燈 （例如：S02 Orra Series、S06 Fudo Series ）即采用 向下自然散熱設(shè)計(jì)方式。
4回路熱管散熱
此種散熱方法是透過循環(huán)式的熱管進(jìn)行散熱，回路 管的兩端為系統(tǒng)電路板（熱源處）和散熱器，回路管的內(nèi)部 則充填著工作流體，并配有蒸發(fā)器，其工作原理為：當(dāng)系統(tǒng) 電路板傳來熱能時(shí)，熱源處的工作流體吸收熱量后，經(jīng)蒸發(fā) 器轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，利用氣體移動快速的特性，熱源處的熱量可 快速傳導(dǎo)到燈殼或散熱器，因此回路熱管散熱僅解決熱傳導(dǎo) 問題，無法有效達(dá)到"散熱”功能。

表2燈具散熱系統(tǒng)介紹

在燈具設(shè)計(jì)上，散熱鰭片和外燈殼因暴露于空氣 中，為避免氧化多經(jīng)過陽極處理，近年有廠商推出軟陶 瓷散熱漆用于取代陽極處理程序，并宣稱其熱阻值接近 金屬，能達(dá)到加速導(dǎo)熱的效能，然其成效未知，尚待業(yè) 界同仁的使用與經(jīng)驗(yàn)分享。
截至目前為止，上述探討的都是熱傳導(dǎo)和熱對流兩 種方式，目前有廠商宣稱其陶瓷散熱基板可利用遠(yuǎn)紅外 線型式將熱輻射散出，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳熱，并宣稱可用于 取代LED芯片基板后端的導(dǎo)熱金屬（散熱鰭片、金屬燈 殼），達(dá)到成功散熱和減輕燈具重量的成效，此技術(shù)之 散熱效能若真如廠商所言，也將為LED燈具的散熱設(shè)計(jì) 帶來重大的進(jìn)展。
三結(jié)論
部分市售LED燈具的散熱設(shè)計(jì)容易忽略掉一些細(xì) 節(jié)，例如忽視熱傳導(dǎo)的均溫性，即散熱鰭片的溫度分布 嚴(yán)重不均勻，導(dǎo)致其中一部分的鰭片對散熱作用有限， 甚至沒有發(fā)揮散熱效果。有些設(shè)計(jì)錯誤則會帶來危險(xiǎn) 性，尤其是LED路燈通常裝設(shè)于8~ 12米的桿高，如果散 熱器重心設(shè)計(jì)不佳，可能導(dǎo)致重量與風(fēng)阻過大，危險(xiǎn)性 增加，當(dāng)遇到臺風(fēng)或地震將有可能導(dǎo)致嚴(yán)重意外。
鑫源盛科技管新寧副董事長曾經(jīng)說過："做為一個(gè) 高科技節(jié)能照明產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員必須認(rèn)清，良好的LED 燈具散熱（包含熱傳導(dǎo)、均溫性、熱交換等）必需以復(fù) 雜的熱傳學(xué)基礎(chǔ)硬理論為依歸，必須正視LED路燈的性 能，必須要有科學(xué)的資料及理論做支撐、完善的系統(tǒng)設(shè) 計(jì)方法為方針、良好的制程為基礎(chǔ)，最后再以第三公正 單位的檢測報(bào)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)”。
LED照明市場成長快速，預(yù)計(jì)2015年將達(dá)到200億 美元的市場規(guī)模，此外，由于日本電價(jià)高且受到3"福 島地震的影響，更加加速LED燈具的需求驟增。臺灣的 LED產(chǎn)業(yè)鏈完善，整體產(chǎn)能亦高居亞洲第二，如何在爭 取市場的同時(shí)審慎評估自身產(chǎn)品的質(zhì)量、研發(fā)和制程能 力，做好LED燈具的散熱設(shè)計(jì)經(jīng)得起時(shí)間和環(huán)境考驗(yàn)， 都是業(yè)者必須嚴(yán)格自我規(guī)范的重點(diǎn).S
參考文獻(xiàn)
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[2]	管新寧（無日期）."節(jié)能減碳熱潮下正面思考如何 提升LED道路照明可靠性".取自：http://www.ttic-tech.com. tw/01 ,asp?Pageld=3&amp;amp; PageType=
[3]	DIGITIMES企劃（民99） . “LED陶瓷散熱基板制程 技術(shù)再升級，加速LED產(chǎn)品生產(chǎn)效率"取自：http://www.tai. com.tw/pdf/LED-NEWS pdf

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