高亮度led照明应用与散热设计

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1、高亮度LED照明应用与散热设计LED(LightEmittingDiode)固态照明，是近年来被认为极具潜力的未来产业，因为消费者与业者均期待，可以利用LED固态照明去解决大量能源浪费在无效率的光源照明问题，正因为LED具备体积小、发光效率高、省电等优势，因此，多数人也对LED固态照明的未来发展寄予厚望。 图1：LED条灯采富弹性、可挠性的塑胶材质接合，可用于营造情境的辅助光源设计图2：LED灯泡可用电路空间有限，可利用整合电源IC与安全控温晶片，缩减PCB尺寸，因应极小化的设计需求　　因为LED固态照明与传

2、统光源的发光技术不同，所以更有环保、节能方面的多项优势，先观察常见的日常照明光源，不外乎白炽灯与萤光灯，白炽灯基本上在发光效率表现即趋于劣势，即便具备低成本与使用习惯已建立等优势，但在环保观念抬头的社会氛围之下，已经成为不环保、无效率的照明产品。在萤光灯方面，虽然采高频气体放电的光电技术去达到省电效益，但实际上萤光灯管制程无法避免对环境有害的汞，在环保诉求上也不是最佳的光源选择。　　回到LED固态光源的发展上，早期LED多用于指示性光源，即信号灯、指示灯之类的中/低亮度、低功率驱动的光源应用，因此无散热方面的

3、考量，一方面是指示用光源仅用以辨认目前装置的使用现况、开关状态提示，并非针对照明用途，因为驱动功率不高自然也无明显待解决的散热问题。但问题来了，高亮度LED的使用目的，多半是为了针对替代性环保光源而进行开发，如此设计方式会造成诸多影响。　　当LED固态光源朝日常的照明应用方向思考时，就会出现亮度不够的问题，必须在LED元件上尝试利用提高功率增加发光效率、或是利用更多数量高亮度LED进行模组化设计，让光源具备照明应用“高亮度”的要求。图3：加强灯具亮度最直接的方法，就是增加LED发光组件数量，这类灯具多采全金属

4、外壳制作，以利散热处理。发挥高效能、环保的照明效益散热设计是一大关键　　LED元件的核心设计，即是由一片LED晶粒利用加诸电压使其产生发光结果，而与一般矽晶片类似，LED晶片也会因为长时间使用而产生光衰现象，多数设计方案为了提升元件发光亮度，多利用增加晶体的偏压，即提升加诸于LED的电能功率，让晶片能够激发出更高的亮度，如此一来，加强LED功率也会使得晶体的光衰问题、寿命问题加速出现，甚至元件本身因强化亮度而产生的高温，也会造成产品寿命的缩短。　　当单颗LED晶粒随着亮度提升，单颗LED功耗瓦数也会由0.1W

5、提高至1、3、甚至5W以上，而多数的LED光源模组实测分析，也会出现封装模组的热阻抗因增加发光效能而提升，一般会由250K/W至350K/W上下持续增加幅度。图4：目前单颗LED亮度持续提升，也有采取单颗LED高亮度光源、搭配简化电源模块的嵌灯设计　　而检视测试结果会发现，LED也会有随着“功率”增加、“使用寿命”减少的现象，会让原本可能具有20,000小时使用寿命的LED光源元件，因为散热影响，而降低到仅剩1,000小时的使用寿命。尤其是当元件在摄氏50度的运作温度下，均能维持最佳的20,000小时寿命，但

6、当LED元件运行于摄氏70度的环境，平均寿命则降至10,000小时，若持续在摄氏100度环境下运行，寿命会仅剩5,000小时。　　LED模组设计的热阻抗现况　　除了关键元件LED易受温度影响外，光源设计多半也采取模组化概念开发，甚至为了取代传统光源，让发光元件与电子电路只能在极小空间内进行整合，因为LED为DC直流驱动元件，多数灯具的连接电源为AC交流电源为主，为简化LED光源的施作复杂度，目前的主流做法是直接将电源整流、变压模组与LED发光元件进行整合，但问题来了，因为可用的电路空间相对小很多，在装置内的对

7、流空间相对变小的情况下，自然也无法得到较佳的散热效果，也只能透过主动式强制散热的相关对策，进行模组的散热处理。　　若由热阻抗模组观察所制作的热流模型，进行LED晶粒预测接合点的温度，接合点意指半导体的pn接合处，定义热阻抗R为温度差异与对应之功率消散比值，而热阻抗的形成因素相当多，但透过热流模型的检视方式，可以更清楚确认，热的散逸处理方面，是因为哪些关键问题而降低其效率，可以从元件、组装方式、基板材质、结构去进行散热改善工程。一般LED固态光源的热流模型，可以从几个关键处来检视。图5：高照明效果的天*板灯，其

8、LED需高功率驱动发光，因此整合的电源模块、散热模块成本也会较高。　　例如，LED发光元件可以拆解为LED晶粒、晶粒与接脚的打线、封装的塑料，再将观察扩及LED光源模组，即会有LED元件、接合的金属接脚、MetalCorePCB(MCPCB)电路板、最后为散热的铝挤型散热片等构成，而热流模型可以观察有几个串联的热流阻抗，例如结合点、乘载晶粒的金属片、电路板与环境等，再检视串联阻抗的热回路，试图去发现