LED照明产品的散热技术分析

        LED 照明应用趋势及散热问题由于固态光源(Solid State Lighting)技术不断进步，使近年来LED 的发光效率提升，逐渐能取代传统光源，目前发光效率已追过白炽灯及卤素灯而持续向上成长，如图1所示。而一些公司更已开发出效率突破100lm/W 的LED 元件，这也使得LED 的照明应用越来越广，不但已开始应用于室内及户外照明、手机背光模组及汽车方向灯等，更看好在高瓦数的投射灯及路灯等强光照明、大尺寸背光模组以及汽车头灯等的应用。由于拥有省电、环保及寿命长等优点，更使未来以LED 光源为主流的趋势越趋明显。

图1    LED 发光效率趋势比较

        为了让LED 发更亮的光而需要输入更高的功率，然而目前高功率LED 的光电转换效率(Wall-Plug-Efficiency; WPE)值仍然有限，一般仅有约15~25% 的输入功率成为光，其馀则会转换成热能。由于LED晶片面积很小(~1mm2)，因此使高功率LED单位面积的发热量（发热密度）非常高，甚至较一般的 IC 元件更为严重，也使得LED 晶片的接面温度(Junction Temperature)大为提升，容易造成过热问题。过高的晶片接面温度会使LED 的发光亮度降低，其中以红光的衰减最为明显。也会造成LED 的波长偏移而影响演色性，更会造成LED 可靠度的大幅降低，如图2所示，因此散热技术已成为目前LED 技术发展的瓶颈。

图2    元件寿命和晶片温度的关系

        因此散热设计的挑战较大，必须从晶片层级、封装层级、PCB 层级到系统模组层级，都要非常重视散热设计，并寻求最佳的散热方桉。对于LED 照明产品而言，由于系统端的散热限制较大，因此其它层级的散热需求就更明显。

        对于LED 热传问题，最基本的分析方法就是利用热阻网路进行分析。也就是将LED 由晶片热源到环境温度的主要散热路径建构热阻网路，如图3所示，然后分析各热阻值的特性及大小，如此可以推算理想状况时的晶片温度，并针对热阻网路各部分下对策以降低热阻值。需注意的是，图3是就Chip Level 、Package Level 、Board Level 及System Level 组成的热阻网路。实际分析时可依据系统结构组成更详细的热阻网路，例如考虑Die Attach 材料及Solder 等介面材料之热阻，或是散热模组结构之热阻值。

图3    LED 散热路径及热阻网路

        Chip Level 、Package Level 和PCB Level 的散热设计

        由于LED 晶片的Sapphire 基板导热特性较差，会造成图3之热阻值Rjs 过高，因此改善方式必须用高导热的材料如铜取代Sapphire ，或是采用覆晶方式将基板移开热传路径，以降低热阻值。

        目前在晶片到封装层级性能较佳的散热设计，包括共融合金基板及覆晶形式等设计，使热更容易从晶片传到封装中。而增加晶片尺寸以降低发热密度也是可行的方向。在封装散热设计技术上，利用高导热金属(Al, Cu..)的散热座，如图4所示，及高导热陶瓷基板(AlN, SiC...)等设计则可将晶片的热迅速扩散，有效降低封装热阻值Rsc 。在PCB 层级的散热设计上，和传统PCB 不同的地方主要是由于LED 发热密度太大，传统FR4+ 铜箔层的散热能力有限，因此需要藉由较厚的金属层以降低扩散热阻(Spreading Resistance)，此种结构称为MCPCB (Metal Core PCB)。

        MCPCB的基本结构如图5所示，包括较厚的金属层、介电层及铜箔层。可将封装的热进一步扩散并迅速传到系统模组的散热元件，以缩小热阻值 Rcb。

图4    高功率LED 之封装结构及Heat Slug 结构

图5    MCPCB 结构图

        为了降低元件热阻值，目前一些设计採用Chip-on-board 的设计，直接将LED 晶片设计在MCPCB 上，而减少封装材料及Solder 界面材料的热阻值，因此提升散热效果，目前许多公司的产品也採用此种设计方式(Lamina Inc., Citizen Inc., OSRAM Inc, Avago Technologies...)。然而，此种设计增加了光学设计的困难及造成製程可靠度问题，设计上较为複杂。
        
        散热模组的散热设计

         图6是一种LED 灯具的结构及其较完整的热阻网路相对关系图，透过热阻网路的建构及计算，可以了解模组各部份的散热情形，以进行温度计算评估或是散热对策设计。LED 模组的散热设计在PackageLevel 及Board Level 以传导为主，因此如何缩短散热路径、提升热传导率以及传热面积是主要重点，而在System Level 则是以对流及辐射方式为主，由于LED 寿命高及低成本的要求，因此不需风扇被动形式的自然对流，是成本最低及可靠度最高的散热方式，而以各阶层的热阻值在热阻网路所佔的比例来看，由于自然对流散热能力有限，因此由散热模组散到空气中的热阻一般都佔了较重的比例。

图6    LED 灯具之热阻网路

        和电子产品不同的是，一般电子产品系统有通风口，因此PCB 可透过对流及辐射传热到空气，而LED 照明产品许多是密闭的，因此限制了元件的散热能力。由于散热模组带走热的能力和散热设计方式有很大关係，如何提升与空气接触面积、提升对流係数或是增加辐射热传效果是主要设计方向。在照明应用时，由于一些机构如接头甚至外型等须符合传统灯具规格（如MR16），以及重量的要求，因此更进一步限制了散热结构的设计，造成散热的挑战，也使在散热设计时需要更为注意最佳化的设计。

        新散热技术的应用

        一些新的技术也开始应用于LED 照明，如利用合成式喷流(Synthetic Jet)原理製作的PAR-38 LED Lamp。和风扇不同的是此设计利用膜片震盪，压缩空气通过喷嘴，利用一次喷流造成的负压推动中心喷流而增加流体流速，散热效能较传统风扇散热方式高。由于不需风扇，因此可靠度提升，而噪音也小。利用日冕放电(Corona Discharge)原理製作的电流力帮浦(Electro-aerodynamic Pumping)为动力的固态风扇，利用带电离子的迅速移动产生对流，具有高风量的优点，同时功耗降低及提升可靠度，如图十八所示。工研院电光所利用热电元件作为LED 元件散热应用并实际整合于LED 模组封装，利用固态的热电冷却原理(Peltier Effect)降低LED 晶片温度，结果显示热电元件可大幅降低元件热阻值，并提升发光亮度，如图7所示。

图7    整合热电元件之LED 散热设计

图8    固态风扇

        此外也研究利用压电风扇等散热技术，进行高功率LED 散热设计。而高散热能力的微流道散热能力可达500W，而微喷流的设计散热能力也可达200W 以上，其应用在未来值得重视。除了应用新的散热技术，新的散热材料也开始应用于LED 照明散热，例如可射出成型的高导热塑胶，热传导率可达20W/mK ，可应用于灯具的外壳。而高导热碳纤维、奈米碳管及类鑽石等高导热材料也开始应用于LED 散热，使得LED 照明产品的散热设计越来越多元化。

         LED 照明产品的散热设计非常重要，关係到产品的品质及寿命。透过热阻网路可迅速分析散热能力及需求并寻求散热对策，由于高功率LED 发热密度很大，必须从Chip Level、Package Level、Board Level到System Level 各层级进行散热设计，降低热阻，才能得到最佳的散热效果。目前国际上各大LED 晶片及封装厂商都致力于发展发光效率更高的产品，透过提升光的量子效率等方式提升光电转换效率，以降低晶片发热量，希望能在2012 年前将发光效率提升至150lm/W ，而发热比例降低到25% ，将可使散热的瓶颈大为降低，也可使被动形式的散热设计更能应用于各种高功率LED 产品。但这毕竟非一蹴可及，仍具有相当的困难度。为了使LED 产品的发展及应用更为快速，相关的散热技术仍需同步发展。由于人类对于生活品质的需求不断提升，就如同IC 产品对于散热的需求一直存在，散热设计在各种高功率LED的产品设计中仍将佔有重要的地位。

        节能减排热潮下 如何提升LED道路照明可靠性

         LED道路照明应用在各地政策推动下建设的如火如荼，LED作为绿色照明产品应用于路灯照明，也是地方培育以低碳排放为特征的新的经济增长点，拉动经济社会发展的新“引擎”。但由于产品品种多、技术难度大、各家企业的技术水平差异和评价方式不一等原因，导致部分地区也有不成功的案例，为此中国半导体照明网编辑连线了鑫源盛科技股份有限公司技术总监管新宁Ph.D.就LED道路照明的可靠性问题，作了了解，希望对业内有所启迪。
   
    　管新宁先生对失败案例有自己的看法，他认为：“近年来在全球环保潮流之下，LED照明产业迅速兴起，有许多科技公司投入此新兴产业，但由于LED照明信赖性能标准未能实时订定、妥为规范，导致个别产品无法通过考验、严重光衰收场，主要原因是无设计理论性研究为检视支柱，因而造成使用业主疑虑，也因此推迟产业发展时机。为此LED照明解决方案供货商鑫源盛科技(Thermalking)，提供了高性能LED路灯多项组件至灯具系统的各项重要技术指针规格数据，供业界参考。”
   
    　LED芯片与封装组件发光效率关键技术指针部分，首要之LED芯片与封装组件关键技术，欧美、日厂商均已量产突破发光效率100~120lm/W以上，超越传统最高效率的HID光源(发光效率90~110lm/W)，解决目前LED灯具总体光效不足≧45lm/W问题，满足道路照明寿命长、光衰低，符合国际标准平均照度，达25~40Lux规格与节能30~60%需求。
   
    　LED发光效率、温升与寿命规格关键技术指针部分，检视CREE或Osram LED等业者所公布的数据，其芯片PN结工作温度Tj＜75~85℃，方能确保高于85%出光效率下工作寿命达5万小时，且芯片PN结至本身导热片(Tjs)温升为ΔT＝6~15℃之间，另外LED光效率与工作温度成反比性能特性，每升高10℃，就会导致光衰3~6%并且寿命减半的严重后果，与一般宣传LED可工作于100~125℃寿命可达10万小时以上的论点,却忽略在此条件下已造成光效率折损25~30%的观念相去甚远。 

    　LED路灯系统热传散热环境温度关键技术指针部分，此类灯具系统工作温度不得高于85-10=75℃；台湾LED道路灯具规范CNS15233规定，耐久性试验环境温度为50℃，因此路灯散热系统温升必须小于ΔT≦25℃。以鑫源盛科技150W LED路灯为例，热传散热系统温升测试低达ΔT≦13℃，计算其热阻值Tr=0.08℃/W，而多数业界厂商设计系统温升测试ΔT≒30~40℃，计算其热阻值Tr=0.2~0.26℃/W；以相同条件下鑫源盛科技的产品较其它厂商产品寿命将增长2倍且亮度增加15%以上。另外以鑫源盛科技350W LED灯具测试，其散热系统温升仍能达成ΔT＝15℃，热阻值Tr＝0.04℃/W。
   
    　LED路灯系统热传散热关键技术部份，电子机器设备热传、散热方法有适用于小功率自然散热方法，目前如MR16/PAR30由1~70W产品，系统温升已高达30~40℃。若超过100W仍使用自然散热方法，就如同目前市面上大部分产品，必须使用大量铝合金材料增加导热量和超大的热交换面积，体积重量动辄2、30Kg，非但增加灯具成本更增添了灯杆灯具安全悬挂的风险。自然散热的定律为使用越重越大面积的金属材料来降低温度，效果越好，但仅铝合金材料成本即增加60~200元新台币/公斤，若干厂商号称使用热管或回路热管即可达到散热效果，这仅仅解决了热传导，不论是热管或者是回路热管都只有热传导的功能并没有散热的功能，若要达到良好散热必须使用相对瓦数的有效散热面积也就是必须增加大面积的金属材料来做热交换；否则必须改用工业级高信赖性冷气机空调、计算机CPU等高阶大功率产品所使用之主动强制散热方法，高效率、军规的小风扇寿命保证7万小时，并具备IP65防水防尘等级，再加上热导管与散热铝鳍片等适当的原件与合理的机构设计，经过测试灯具系统温升可低达ΔT≦12~15℃，与自然散热方法比较降温达25℃，寿命将增加2倍且光效率亮度增加10~15%以上。
   
    　LED路灯系统可靠性、耐久性 环境适应性能测试指标部分，一般LED灯具产品设计均未考虑到落尘防护系统，室外道路用灯具必需完全防止砂尘暴、胶质悬浮物、重力落尘堆积于散热结构，以避免导致LED过热烧毁之问题。若散热结构朝向天面导致落尘堆积，热累积无法发散，将可能产生LED光衰及烧毁状况。要解决以上问题，可设计采用散热结构朝向地面来因应。其它抗盐雾测试等等，鑫源盛科技现有产品经户外测试时间2万小时后，光衰＜10%、状况良好。主干道路照明光学设计亦可达到世界标准，即10公尺高灯杆必须平均照亮横幅40公尺的长型路面，解决高难度光学镜片设计，达到高宽比1:4之要求。另外核心灯芯技术模块亦达到了轻巧化，不需依赖灯壳做为散热体，因此灯体外型设计可任意变化形状，达成各城市美观特色。
   
    　做为一个高科技节能照明产业的从业人员必须认清，良好的灯具散热包含热传导、均温性、热交换等复杂的热传学传统基础硬理论为依归，并非坊间所称LED灯是冷光不发热,又有以高贵的奈米科技或航天科技等单一原件或特殊材料寻求解决。终端客户雾里看花之际，必须正视LED路灯的性能必须要有科学的数据、理论做支撑、完善的系统设计方法为方针、良好的制程为基础，最后在以第三公正单位的检测报告为依据，这样才不会一再发生光衰退货阻碍产业发展的恶性循环，台湾鑫源盛科技愿意与全世界同业共同分享多年来的研究成果以及专利技术，其中包含了强制散热、向下散热、液态散热等发明专利与数十项新型专利，共同携手照亮全世界。