淺談LED的散熱問題

1、淺談led燈具的散熱設(shè)計來源：ledinside 時間：2012-08-02【字體:去 蟲小】一、前言led又稱發(fā)光二極管（liaht emitting diode）,屬于半導(dǎo)體組件，自1962年美國通用電氣公司開發(fā) 出全球第一種町實際應(yīng)用的紅光led開始，至今led己邊入全彩時代。led的發(fā)光原理簡單來 說是山含電洞之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木身是單色光源，如今隨著光效提升及藍光led的出現(xiàn)，它的應(yīng)用也逐漸偏向多元化，從早 先的低

2、功率電源指示燈演進成led背光模塊和led照明等高功率應(yīng)川。led被譽為21 i上紀 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)保慮識方興未艾之際，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女全法案提出白熾燈禁川時程、日木2010年修訂的能源基本計 劃提出減碳目標(biāo)），使得占生活川電大量比重的照明成為鼓勵汰換的項ii之一。能源趨勢、 政府法令與led發(fā)光特性三者相乘作川之下，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、屮、下游產(chǎn)業(yè)的投入。led如同所冇電子零件一般，在使用或運作的過

3、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)、機構(gòu)、 電子及散熱，其屮i散熱尤其重耍，因為目前高功率led燈具的轉(zhuǎn)換率僅冇20%會轉(zhuǎn)換成光, 其余80%會轉(zhuǎn)換為熱，如果不能將熱暈導(dǎo)出燈具z外，將無法達到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和關(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 °c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)

4、源：cree由丁高功率led技術(shù)的發(fā)展,使得led燈具而臨到熱管理和散熱設(shè)計的嚴苛挑戰(zhàn)，因為溫度升 面不但會造成殼度下降，當(dāng)溫度超過攝氏100度時更會加速燈貝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、沙塵最、濕度等因素更加 嚴苛。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.）,更盂達到克服光學(xué)特性穩(wěn)定性（如、光衰

5、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芯片丿衣板、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)進行封裝，故led品粒所產(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zled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。炮彈型led平

6、板式led真明麗-7344 led lampaphilips- luxeon® rebels圖3.炮彈型和平板式led芯片h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，故陶瓷基板成為禹功率照明用led芯片基板的常用 散熱材料。陶瓷棊板h前分為3大類：氧化鋁(ai2o3)、(2)低溫共燒陶瓷(ltcc)、(3)氮化鋁 (ain),其中以ainz導(dǎo)熱性最佳，但技術(shù)門坎最高，故ain多用于3w以上z led產(chǎn)品,而ai2o3 則用于1w-3w的范圍，ltcc則適用丁大尺寸大功率、小尺寸小功率之led產(chǎn)品。以c

7、reexlamp led系列為例，即采陶瓷基座優(yōu)化i散熱能力。ii陶瓷基板-金屬去品項2低溫共燒陶瓷(ltcc)p氧化鋁 (ai2o3)*'氮化鋁(ain>金屬蕊(mcp(導(dǎo)熱系數(shù)(w/mk)23卩2232p160-200p膨脹系數(shù)(ppotc)57卩7.2p5&17?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)線進行傳導(dǎo)，散熱的效能受限于導(dǎo)線的材質(zhì) 和細氏的兒何型狀，故散熱效能備受限制，和較z下共品、覆品z接合方式，大幅減

8、少導(dǎo)線怏度 并加人導(dǎo)線截而積，提升散熱傳導(dǎo)能力。sapphireled晶片基板led晶片基板圖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進行串連，得到高電 壓、小電流的產(chǎn)品。高圧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 線路布置上的閑難性。相較于一般led, m 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-電流增加一熱能增加一溫度上升”的惡性循壞中，可設(shè)計出系統(tǒng) 穩(wěn)定性較佳的led燈具。ii介紹完led芯片基板后，接著提到同樣于傳遞熱量具有垂賁大任的系統(tǒng)

9、電路板，led芯片藉山焊 接和系統(tǒng)電路板進行鏈接，山蕊片所產(chǎn)生的熱能也山芯片基板傳導(dǎo)到系統(tǒng)電路板，h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，在考慮成木因索和燈具匝最等因索，多會舍棄陶瓷基板，改用 mcpcb做為系統(tǒng)電路板。mcpcb山3層結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，山上而下分別為導(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，反而使空氣進入mcpcb屮，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

10、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mcpcb的散熱能力；故底層的金屬基板多采用鋁合金，利用鋁合金較住 的散熱特性，達到熱傳導(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)扇強制散熱和磁力噴流散熱，被動式散熱包含"然對流散熱、回路熱管散熱，其下將一一介紹：1 風(fēng)扇強制散熱:風(fēng)扇強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)出燈具本體外來進行散熱，使用 風(fēng)扇強制散熱可以非常冇效的將熱扌iehi,在計算機、冷氣及汽車中都以風(fēng)扇進行強制散熱，目前 鑫源盛科技的s01 glory serie

11、s led路燈系列即采用風(fēng)扇強制散熱技術(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)為一貝有薄膜z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，促使薄牘進行上下振蕩，隨著薄膜的上卜位移，空氣會 流入中空腔體再行噴出，噴出厲的氣流會帶動周邊空氣產(chǎn)牛渦流現(xiàn)彖，強化空氣対流能力，目前 己應(yīng)用于ge 27w energy smart led球泡燈。3.自然對流散熱：口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，口然就會帶動空氣產(chǎn) 生對流，達到散熱的效果。

12、隨著高功率燈具產(chǎn)品的推岀，使川口然對流散熱需有較大的散熱表面 積，故散熱站片因應(yīng)而生，多數(shù)加裝于燈具背面，提供較大的散熱面積，強化對流散熱的效果， 陽全光電z 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，但也增加了燈貝的整體重量和成本，更增添了立桿型燈具安全 懸掛的風(fēng)險，此外，led燈具常而臨落塵堆積等問題，一旦經(jīng)過長時間的使用，過多的臟污、灰 塵累積丁散熱鰭片，將弱化散熱能力，和較z f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 seriess06 fudo ser

13、ies）即采用向下“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，因此冋路熱管散熱僅解決熱傳導(dǎo)問題，無法有效達到散熱功能。散熱方式風(fēng)扇散熱，磁力噴流散熱自然對流散熱led燈鼻/ 7e/ / /fz*廠商鑫源盛美國通用電器"品名1s01 glory seriesled路燈&27wled天井燈"表2燈具散

14、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h前為止，上述探討的都是熱傳導(dǎo)和熱對流兩種方式，k前有廠商宣稱其陶瓷散熱基板可利 用遠紅外線型式將熱輻射散出，進行遠距離傳熱，并宣稱可用于取代led芯片棊板后端的導(dǎo)熱金 屈（散熱鰭片、金屬燈殼），達到成功散熱和減輕燈具重量的成效，此技術(shù)z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 度分布嚴垂不均勻，導(dǎo)致其中一部分的鰭片對散熱作用有限，其至沒有發(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812米的桿高，如果散熱器章心設(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)致嚴重慈外。鑫源盛科技管新寧副董事長曾經(jīng)說過：做為-個面科技節(jié)能照明產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員必須認淸，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，必須耍有科學(xué)的數(shù)拯及理論做支撐、完善