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從LED散熱技術探討LED路燈光衰問題

作者冠品化學研發部-葉聖偉博士

目前大陸LED路燈成長率高於各國，據統計預測2010年仍將雄踞全球市場第一。去年中國大陸科技部定案的「十城萬盞」半導體照明應用工程試點政策，雖說是透過中央政策創造出市場需求的經濟發展典範，但是就廠商實際接案的第一線回應卻不如預期。
政策與市場的落差，除了LED標準尚未全然規範可供廠商遵循外，另一個潛伏的技術問題就是「LED路燈嚴重光衰」，導致安裝不到一年的LED路燈無法通過使用單位認證驗收。前述的LED標準規範統一制定問題，已有可能在近期內擬訂定案，至於「LED路燈嚴重光衰」就需要從LED散熱技術的根本來解決。LED路燈光衰竭的成因探討溫度其實就是LED路燈光衰的關鍵問題，偏偏LED路燈就卡在這個環節。LED路燈由於發光功率大於家用燈具，因此廠商在散熱基板鰭片、散熱模組的設計上費盡苦心，組裝完畢需在燈具散熱模組外面，加烤漆保護以防氣候侵蝕。不料這個外部保護的噴漆卻把散熱模組的熱度又封了回去，造成散熱不良導致LED磊晶光衰。
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LED路燈嚴重光衰的問題，需要從LED散熱技術的根本來解決。LED磊晶發光熱能屬於小範圍的集中熱能，在高功率路燈的應用時，電力輸入功率也大，LED的介面溫度相當的高，在路燈長時間持續工作下，散熱模組如不能有效散熱，就會影響LED使用壽命及發光表現，像目前的LED路燈嚴重光衰就是這些因素所造成。LED路燈是在戶外使用，有環境氣候的干擾因素，所以多半的廠商是將LED路燈散熱器外殼以陽極處理保護，或是加噴烤漆，以避免酸鹼物質的侵蝕。陽極處理的壽命不長，時日稍久還是會氧化變色，如果要拆下重工，不但耗時耗工也會增加維護成本；烤漆保護成本較低，保護的功效也好，但是一般烤漆沒有散熱功能，漆體本身會形成阻隔作用，等於是加大LED路燈散熱器的熱阻抗，不但沒有幫助，反而因為把熱能封鎖在散熱器內，讓LED磊晶發光功率降低，最後就導致嚴重光衰。以上一直在LED燈具業界存在的嚴重困擾，幾乎是目前公共工程LED路燈無法順利通過採購單位驗收的主因。LED路燈光衰竭的解決建議
要解決這些既存問題，建議路燈廠商廠商從基本材料上著手，從根本由內而外的解決高功率LED熱源問題。舉例來說在發光元件與鋁基板的黏合時，導熱膠就扮演關鍵角色，有些廠商以為導熱膠膜或導熱膠墊的導熱系數要好，膜厚要越厚越好，卻沒想熱阻問題。導熱系數再好，碰到膜厚的熱阻也沒用。更何況導熱膠膜或軟質導熱墊片，並不能真正的與基板密合，貼合面其實存在著許多孔隙。這些孔隙在電子顯微鏡下觀看，就像是空洞的氣穴，也就是另一種形式的熱阻質。在這麼多干擾熱傳導的熱阻存在之下，散熱導熱的效率無形中就被降低了。
熱阻要低要用對導熱膠，推薦網印施工的軟陶瓷導熱膠。網印施工的軟陶瓷導熱膠不同於傳統的貼合式導熱膠膜，軟陶瓷導熱膠是軟質半液態，在網印機刮刀塗佈於鋁基板時，導熱粒子會滲入基板表面的孔隙並予填補到滿。這樣就會形成一個完全平整沒有孔隙的平面，與LED磊晶載板黏合時會完全的密合。這樣一來就把熱阻減少到最低程度，熱度就能迅速的被傳導出去，自然就降低了LED晶粒的環境溫度，也延長磊晶的壽命以及大幅延緩光衰的發生。此外由於網印施工的軟陶瓷導熱漆具有延展性，在高溫烘烤或回焊時，會隨著鋁基板的熱脹冷縮一起變化，應力非常小，不會造成鋁基板彎翹，更不會爆板。
在LED燈具的外部保護推薦採用LED燈具軟陶瓷散熱漆。這種噴塗式軟陶瓷散熱漆可直接噴塗於LED燈具外部，施工操作簡便，可適應各種形狀的散熱結構，也可調整成不同色彩，因應景觀設計的需求。噴塗式散熱漆內的軟陶瓷粒子，是經過奈米化處理，粒子細微不僅易於噴槍操作，也讓同一塗佈面積上的導熱粒子又多又密集，讓溫度揮發透散的面積也變大，讓LED燈具的熱能迅速的傳導出去。軟陶瓷散熱漆屬於熱固型材料，符合RoHS環保安全規範，施工程序簡便也無需任何特殊機具，經過烘烤後熱固，可長時間承受LED的高溫不會有質變問題。在戶外使用的LED路燈、景觀燈、或是LED廣告看板、也都會面臨風吹雨打、酸雨鳥糞、空氣粉塵、黑煙排放…等等的酸鹼侵害。所以這種噴塗式軟陶瓷散熱漆一定要具備抗酸鹼的特性，目前的抗酸鹼值幅度在PH3~11，可以有效保護LED戶外燈具外觀不被侵蝕。
LED燈具的成本結構隨著封裝技術、載板設計、散熱模組結構的精進發展，品質不斷的提升，成本也隨著技術發展及市場需求而下降。但是投入在材料改進的廠商還不多，這主要是跟台灣工商發展的歷程與習性相關。台灣廠商長於製程與設計，在材料基礎研發上著墨較少。所以在解決技術問題或降低成本等議題上，比較偏向採購思維或是生管思維。但是美日廠商在第一時間點，會從應用材料上去思考，從創新的角度去降低成本