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浅谈LED灯具的散热设计
一、前言
LED又称发光二极管(LightEmittingDiode)，属于半导体组件，自1962年美国通用电气公司开发出全球第一种可实际应用的红光LED开始，至今LED已迈入全彩时代。LED的发光原理简单来说是由含电洞之P型半导体与含电子之N型半导体结合成之P-N二极管，在P-N二极管两端加上顺向偏压，当电流通过时，电子与电洞流至接合面接合时会放出能量而发光(简易图说如下)。

图1.LED发光原理
LED本身是单色光源，如今随着光效提升及蓝光LED的出现，它的应用也逐渐偏向多元化，从早先的低功率电源指示灯演进成LED背光模块和LED照明…等高功率应用。LED被誉为21世纪的照明新光源，它具有效率高、寿命长、省能源、不易破损、环保无汞…等传统光源无法与之比较的优点，在节能减碳及环保意识方兴未艾之际，加上各国政府陆续宣示的能源政策(例如：美国2007年颁布的「能源独立和安全法案」提出白炽灯禁用时程、日本2010年修订的「能源基本计划」提出减碳目标)，使得占生活用电大量比重的「照明」成为鼓励汰换的项目之一。能源趋势、政府法令与LED发光特性三者相乘作用之下，促使LED照明产业的蓬勃发展，也吸引了国内/外厂商对于LED上、中、下游产业的投入。
LED如同所有电子零件一般，在使用或运作的过程中都会产生热能及温升现象，如果忽视散热问题，将导致LED因高温而提早烧毁的结果。LED灯具的设计较传统灯具复杂，包含光学、机构、电子及散热，其中「散热」尤其重要，因为目前高功率LED灯具的转换率仅有20%会转换成光，其余80%会转换为热，如果不能将热量导出灯具之外，将无法达到LED光源宣称的50,000小时寿命，同时热量会影响LED的发光效率，导致严重光衰及灯具毁损的惨况。
二、LED灯具的散热设计
LED的发光效率及寿命与工作温度息息相关，呈现反比关系，下图为美国CREE所发布的LED寿命报告，温度每下降10℃寿命将延长2倍且光通量提升3%~8%。

图2.LED寿命报告数据源：CREE
由于高功率LED技术的发展，使得LED灯具面临到热管理和散热设计的严苛挑战，因为温度升高不但会造成亮度下降，当温度超过摄氏100度时更会加速灯具本体及封装材料的劣化。因此，除了LED封装组件本身的散热技术外，LED灯具的散热及导热设计更是维持灯具寿命的最大关键。
LED应用于户外照明，其散热设计相较于其他LED终端产品(例如：LED背光面板、LED车用照明…等)更为复杂多元，因为LED灯具的操作环境会因为温度变化、沙尘量、湿度…等因素更加严苛。以LED路灯为例，要能够长时间于户外环境工作，不仅必须符合安全法规的要求(例如：UL、CE…)，更需达到克服光学特性稳定性(如、光衰变化)、沙尘侵袭、鸟粪堆积、空气中胶质悬浮物质及水气虹吸现象造成之防水防尘问题等可靠度及恶劣环境的考验。
在灯具设计方面，由LED蕊片、LED芯片基板、芯片封装、线路设计、系统电路板、散热鳍片到灯具外壳再再都考验着LED产业上、中、下游的研发能力。传统用于指示灯的LED多为炮弹型结构，其四周以绝缘性环氧树脂(epoxy)进行封装，故LED晶粒所产生的热能主要由下方的两根金属导线以传导方式往系统电路板方向散出。然而当LED跨入照明领域后，1W以上的高功率LED成为主流，也为了增加热传导面积，照明用途之LED改采平板式封装，使LED芯片基板和系统电路板能有较大的贴和面积。

图3.炮弹型和平板式LED芯片
目前常见的LED芯片基板为陶瓷基板，其散热性佳，低膨胀系数等特性，减低因热应力而产生的变型，其次还具有耐热、耐潮、绝缘等优点，故陶瓷基板成为高功率照明用LED芯片基板的常用散热材料。陶瓷基板目前分为3大类：(1)氧化铝(Al2O3)、(2)低温共烧陶瓷(LTCC)、(3)氮化铝(AlN)，其中以AlN之导热性最佳，但技术门坎最高，故AlN多用于3W以上之LED产品，而Al2O3则用于1W~3W的范围，LTCC则适用于大尺寸大功率、小尺寸小功率之LED产品。以CreeXLampLED系列为例，即采陶瓷基座优化散热能力。

表1.散热基板的分类和膨胀性、导热性介绍。数据源：大毅科技
在封装方面，可采打线、共晶或覆晶三种方式将蕊片和LED散热基板连结，打线是藉由金属导线连接LED蕊片和芯片基板，蕊片产生的热只能藉由导线进行传导，散热的效能受限于导线的材质和细长的几何型状，故散热效能备受限制，相较之下共晶、覆晶之接合方式，大幅减少导线长度并加大导线截面积，提升散热传导能力。

图4.打线式封装(左图)和覆晶式封装(右图)数据源：大毅科技
在线路改良方面，有厂商推出高压LED产品，其原理是将许多小功率LED进行串连，得到高电压、小电流的产品。高压LED多用于球泡灯、灯管、投射灯