一、前言
LED又稱發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)，屬于半導(dǎo)體組件，自1962年美國通用電氣公司開發(fā)出全球第一種可實際應(yīng)用的紅光LED開始，至今LED已邁入全彩時代。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，電子與電洞流至接合面接合時會放出能量而發(fā)光 (簡易圖說如下)。
圖1. 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，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「能源獨立和安全法案」提出白熾燈禁用時程、日本2010年修訂的「能源基本計劃」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，因為目前高功率LED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小時壽命，同時熱量會影響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
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壽命報告，溫度每下降10 ℃壽命將延長2倍且光通量提升3%~8%。
圖2. LED壽命報告 數(shù)據(jù)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)計的嚴(yán)苛挑戰(zhàn)，因為溫度升高不但會造成亮度下降，當(dāng)溫度超過攝氏100度時更會加速燈具本體及封裝材料的劣化。因此，除了LED封裝組件本身的散熱技術(shù)外，LED燈具的散熱及導(dǎo)熱設(shè)計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，因為LED燈具的操作環(huán)境會因為溫度變化、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。
在燈具設(shè)計方面，由LED蕊片、LED芯片基板、芯片封裝、線路設(shè)計、系統(tǒng)電路板、散熱鰭片到燈具外殼再再都考驗著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多為炮彈型結(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。
圖3. 炮彈型和平板式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，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(Al2O3)、 (2)低溫共燒陶瓷(LTCC)、(3)氮化鋁(AlN)，其中以AlN之導(dǎo)熱性最優(yōu)，但技術(shù)門坎最高，故AlN多用于3W以上之LED產(chǎn)品，而Al2O3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.散熱基板的分類和膨脹性、導(dǎo)熱性介紹。 數(shù)據(jù)源：大毅科技
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。
圖4. 打線式封裝(左圖)和覆晶式封裝(右圖) 數(shù)據(jù)源：大毅科技
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→阻抗下降→電流增加→熱能增加→溫度上升”的惡性循環(huán)中，可設(shè)計出系統(tǒng)穩(wěn)定性較佳的LED燈具。
介紹完LED芯片基板后，接著提到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)行鏈接，由蕊片所產(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，在考慮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出，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，此外，LED燈具常面臨落塵堆積等問題，一旦經(jīng)過長時間的使用，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，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)計錯誤則會帶來危險性，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)計不佳，可能導(dǎo)致重量與風(fēng)阻過大，危險性增加，當(dāng)遇到臺風(fēng)或地震將有可能導(dǎo)致嚴(yán)重意外。
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)計經(jīng)得起時間和環(huán)境考驗，都是業(yè)者必須嚴(yán)格自我規(guī)范的重點。