受限于技術(shù)，LED目前的轉(zhuǎn)換效率仍為兩成左右，也就是說有高達(dá)八成的電能會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能，因此散熱問題始終是LED照明面臨的重要挑戰(zhàn)。尤其LED發(fā)光熱能是集中于小范圍，因此在電力輸入功率較大的路燈應(yīng)用中，LED接口溫度相當(dāng)高，再加上路燈為長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，熱能的產(chǎn)生更為可觀，因此若散熱模塊不能有效散熱，LED街燈便會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的光衰現(xiàn)象，導(dǎo)致使用壽命大幅縮短。隨著中國(guó)大陸近年力推“十城萬盞”半導(dǎo)體照明應(yīng)用工程政策，LED街燈裝設(shè)數(shù)量迅速增多，LED街燈光衰問題更為突顯。
LED光衰現(xiàn)象和散熱效能息息相關(guān)，為有效達(dá)成散熱目的，相關(guān)業(yè)者紛紛循各種途徑尋求解決之道。就整體的散熱設(shè)計(jì)來看，散熱基板材料與LED晶粒封裝方式極為關(guān)鍵。首先，LED散熱基板的運(yùn)作方式為利用散熱基板材料本身的熱傳導(dǎo)性，將熱源從LED導(dǎo)出，而從LED散熱途徑來看，又可將LED散熱基板細(xì)分為L(zhǎng)ED晶?；迮c系統(tǒng)電路板兩大類，此兩種散熱基板分別承載著LED晶粒與LED芯片。其中，LED晶?；逯饕亲鳛閷ED晶粒的熱能傳導(dǎo)至系統(tǒng)電路板的的媒介；系統(tǒng)電路板則是負(fù)責(zé)將熱能傳導(dǎo)至散熱鰭片、外殼或大氣中的材料。
慎選散熱基板材質(zhì)及導(dǎo)熱膠
璦司柏電子工程師游慧茹指出，在系統(tǒng)電路板散熱這個(gè)部分，早期LED產(chǎn)品的系統(tǒng)電路板多以PCB為主，但隨著LED街燈應(yīng)用等高功率LED需求的增加，PCB材料的散熱能力不足以應(yīng)付，因此業(yè)界已發(fā)展出高熱導(dǎo)系數(shù)鋁基板(MCPCB)，主要是利用金屬材料散熱較佳的特性達(dá)到高功率產(chǎn)品散熱的目的。
除了散熱基板的材料需要注意外，鋁基板黏合使用的導(dǎo)熱膠也必須慎選。冠品化學(xué)研發(fā)部副總經(jīng)理葉圣偉博士指出，部分廠商以為導(dǎo)熱膠膜或?qū)崮z墊越厚越好，卻忽略越厚則熱阻越大。再者，導(dǎo)熱膠膜或軟質(zhì)導(dǎo)熱墊片并無法與基板真正密合，存在于貼合面的許多孔隙是另一種形式的熱阻質(zhì)。綜合這些因素，散熱導(dǎo)熱的效率將有所降低，需用對(duì)導(dǎo)熱膠才能降低熱阻。
他指出，網(wǎng)印施工的軟陶瓷導(dǎo)熱膠為軟質(zhì)半液態(tài)，在網(wǎng)印機(jī)刮刀涂布于鋁基板時(shí)，導(dǎo)熱粒子會(huì)滲入基板表面的孔隙并予以填滿，進(jìn)而形成完全平整且無孔隙的平面，與LED晶粒載板黏合時(shí)會(huì)完全密合，如此就能減少熱阻，熱度可迅速被傳導(dǎo)出去，LED晶粒環(huán)境溫度隨之降低，LED街燈的光衰現(xiàn)象自然得以延緩發(fā)生。他并強(qiáng)調(diào)，網(wǎng)印施工的軟陶瓷導(dǎo)熱膠具有延展性，在高溫烘烤或回焊時(shí)，會(huì)隨著鋁基板的熱脹冷縮一起變化，應(yīng)力非常小，因此不會(huì)造成鋁基板彎曲，甚至是爆板。
不過，游慧茹特別指出，盡管系統(tǒng)電路板能將LED芯片所產(chǎn)生的熱有效散熱至大氣環(huán)境，但是首先是LED晶粒所產(chǎn)生的熱能必需有效的從晶粒傳導(dǎo)至系統(tǒng)電路板，否則，隨著LED功率的提升，整體LED的散熱瓶頸將出現(xiàn)在LED晶粒散熱基板。目前市面上LED晶?；逯饕蕴沾苫鍨橹?，依線路備制方法不同略可區(qū)分為厚膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷，以及薄膜陶瓷基板三種，其中薄膜陶瓷基板為相對(duì)較新的技術(shù)，可有效滿足倒裝片(Flip Chip)封裝方式所要求的布線精確度與燒結(jié)收縮比例問題。
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倒裝片和共晶可有效降低熱阻
上述倒裝片封裝方式為現(xiàn)階段降低LED熱阻的重要技術(shù)趨勢(shì)。除能降低熱阻外，倒裝片封裝LED擁有顏色與光一致性優(yōu)勢(shì)，而這是下游系統(tǒng)商采購(gòu)LED的關(guān)鍵指標(biāo)，因此吸引不少LED業(yè)者投入開發(fā)，包括Philips Lumileds、科銳、歐司朗光電半導(dǎo)體(OSRAM Opto Semiconductors)及美商旭明光電(SemiLEDs)。據(jù)了解，Philips Lumileds是采用金錫共融焊錫(AuSn Eutectic Solder)的方式，在假設(shè)該方案金錫覆蓋面積達(dá)25%的情況下，熱阻可達(dá)0.16℃/W。科銳、歐司朗光電半導(dǎo)體(OSRAM Opto Semiconductors)及美商旭明光電(SemiLEDs)則分別采用硅(Si)、銅(Cu)基板開發(fā)垂直式芯片。
Philips Lumileds臺(tái)灣資深技術(shù)支持經(jīng)理黃珩春強(qiáng)調(diào)，倒裝片封裝與傳統(tǒng)綁晶封裝制程所使用的機(jī)臺(tái)不同，再加上設(shè)備投資金額偏高，以及缺乏專利技術(shù)，因此現(xiàn)階段實(shí)際有能力出貨的LED廠商寥寥可數(shù)。他并指出，Philips Lumileds已發(fā)表可實(shí)現(xiàn)掙脫分檔藩籬(Freedom From Binning)理念的倒裝片封裝技術(shù)LED系列產(chǎn)品，結(jié)合該公司專有的薄型倒裝片(TFFC)技術(shù)和Lumiramic熒光粉片技術(shù)，達(dá)成LED光與顏色的一致性。
另外，在降低LED晶粒熱阻方面，值得注意的還有共晶(Die Bonding)技術(shù)的選擇。根據(jù)大毅科技LED散熱研發(fā)團(tuán)隊(duì)指出，現(xiàn)有的固晶方式主要有銀膠固晶及共晶(Eutectic)焊接法兩種，前者較常見但僅適用于低功率模塊，共晶焊接法則不但可提高固晶強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)，還可配合倒裝片技術(shù)將LED晶粒整體熱阻下降到銀膠制程的20-40%。
高亮度LED共晶制程多以8:2比例的金錫合金(Au-Sn Alloy)作為芯片底部焊料，再將芯片放置于鍍有金或銀的基板上，加熱至共晶溫度，使基板表面的金或銀與金錫合金相互擴(kuò)散，進(jìn)而改變合金成份以提高融點(diǎn)，使共晶結(jié)構(gòu)固化以達(dá)到固晶的目的，利用此方法所固晶的芯片推力遠(yuǎn)大于使用銀膠固晶，因此應(yīng)用于高功率LED時(shí)會(huì)有更佳的可靠度表現(xiàn)。
然而共晶技術(shù)的操作溫度高達(dá)320℃，需特別考慮選用芯片、基板等材料耐熱程度。此外，芯片下平整的金錫合金層只有3μm厚，所以除了共晶固晶機(jī)臺(tái)需要有高位置精度外，另一重要固晶條件就是基板表面粗糙度(Ra)與高低差(PV)要低，針對(duì)這些需求，大毅科技已導(dǎo)入拋光技術(shù)，成功制造出適合共晶的散熱陶瓷基板，以協(xié)助廠商封裝出更加穩(wěn)定的高功率LED產(chǎn)品。
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風(fēng)扇散熱具成本優(yōu)勢(shì)
接下來談到LED街燈模塊的散熱，相關(guān)解決方案相當(dāng)多元，可概分為散熱鰭片、導(dǎo)熱塑料殼、風(fēng)扇、導(dǎo)熱管、表面輻射散熱處理及自然對(duì)流散熱等。其中，又屬散熱片及高速風(fēng)扇是最常見的處理方式。針對(duì)風(fēng)扇散熱方式，傳祥微電機(jī)營(yíng)銷中心市場(chǎng)開發(fā)部項(xiàng)目經(jīng)理王百韜表示，風(fēng)扇在價(jià)格與性能上較具競(jìng)爭(zhēng)力。他指出，傳祥微電機(jī)幾年前就已成功進(jìn)入LED路燈市場(chǎng)，并應(yīng)用在多起國(guó)際性路燈標(biāo)案中，因此相關(guān)用技術(shù)已相當(dāng)成熟。而除了精進(jìn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)效能并改善風(fēng)扇本身軸承的材質(zhì)外，未來傳祥將朝著高壽命、低噪音、高可靠度的研發(fā)方向前進(jìn)。
不過，隨著LED照明應(yīng)用的光輸出不斷提高，導(dǎo)致熱流密度不斷增加，單位時(shí)間內(nèi)需要冷卻的熱量也越來越大，而散熱片及高速風(fēng)扇等散熱方案若要維持一貫的散熱效率，勢(shì)必要越做越大，并不適用于小空間應(yīng)用，于是便給了其它散熱方案的崛起空間，例如Nuventix采用Synthetic Jet原理制造的SynJet(合成噴氣)產(chǎn)品。
新散熱技術(shù)可快速大量散熱
根據(jù)Nuventix所提供的資料指出，由Nuventix開發(fā)的SynJet組件采用基于空氣的合成射流冷卻新技術(shù)，該技術(shù)利用電磁執(zhí)行器產(chǎn)生的湍氣流脈沖，也就是通過強(qiáng)制對(duì)流換熱的高效散熱能力快速帶走熱量，可降低LED芯片的溫度并縮減散熱器的體積及重量。
另外，LED街燈制造業(yè)者鑫源盛科技(TTiC)則是采用超導(dǎo)熱散熱技術(shù)開發(fā)出向下散熱、強(qiáng)制散熱及液態(tài)散熱三大技術(shù)，有效解決LED因散熱而產(chǎn)生光衰的問題。其中，強(qiáng)制氣冷方法是采用高信賴性動(dòng)力氣流風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)，達(dá)成0.08℃/W超低熱阻及50,000小時(shí)長(zhǎng)壽命低光衰。液態(tài)冷卻方法為采用燈體與散熱結(jié)構(gòu)分離方法，將熱源導(dǎo)至外部環(huán)境。向下散熱方法中的熱交換散熱結(jié)構(gòu)為向下朝向地面，可完全避免落塵堆積導(dǎo)致毀損。
鑫源盛副董事長(zhǎng)管新寧表示，在該公司的各種散熱技術(shù)中，向下散熱專利技術(shù)已廣泛應(yīng)用于LED街燈上，廣受世界各國(guó)青睞，包括日本、歐美大國(guó)與開發(fā)中國(guó)家的政府單位皆前來采購(gòu)下單。管新寧進(jìn)一步說明，該向下散熱專利技術(shù)可有效避免“落塵”的影響，進(jìn)而降低LED街燈產(chǎn)品維修保養(yǎng)成本并延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。管新寧強(qiáng)調(diào)，鑫源盛LED街燈已通過美國(guó)最具權(quán)威的產(chǎn)品安全檢測(cè)和認(rèn)證組織UL檢測(cè)，并已完成全球?qū)＠a(chǎn)權(quán)布局，成功獲得PCT143國(guó)專利優(yōu)先權(quán)，確立產(chǎn)品設(shè)計(jì)的規(guī)格指針，并達(dá)成完善的產(chǎn)品可靠度、信賴性的實(shí)裝妥善率統(tǒng)計(jì)。
鑫源盛在臺(tái)灣能源局的示范案中，已成功安裝超過兩萬盞LED街燈，此外在中國(guó)的道路工程更已安裝超過三萬盞的LED街燈。鑫源盛預(yù)估，該公司未來亞洲地區(qū)會(huì)有超過50%的成長(zhǎng)率，全球?qū)⒂谐^70%的成長(zhǎng)率。鑫源盛目前主攻公共工程與商業(yè)照明兩大塊，主力產(chǎn)品為S系列的LED街燈及P系列的LED投光燈，都以大瓦數(shù)應(yīng)用為主。其最早安裝的實(shí)績(jī)至今已六年，截至目前沒有任何故障維修，光衰值更小于3%，燈具效能表現(xiàn)相當(dāng)優(yōu)異。事實(shí)上，鑫源盛為臺(tái)灣首家在2007年就通過政府驗(yàn)收合格的LED街燈廠商；并已在2010年底前通過多項(xiàng)安規(guī)及質(zhì)量認(rèn)證，包括UL、CE、CNS、C-Tick、PSE之檢測(cè)及ISO 9001和ISO 14001的品質(zhì)認(rèn)證。
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散熱模塊漆料攸關(guān)散熱效果
最后，關(guān)于LED街燈的散熱，還有一個(gè)較不為眾人所討論但頗為關(guān)鍵的部分，就是燈具散熱模塊外的烤漆。針對(duì)此，冠品化學(xué)研發(fā)部副總經(jīng)理葉圣偉博士表示，LED街燈的使用環(huán)境為戶外，會(huì)受到環(huán)境氣候的干擾，為解決此問題，廠商或是以陽(yáng)極處理保護(hù)LED街燈散熱器外殼，或是加噴烤漆，以避免酸堿物質(zhì)侵蝕。然而陽(yáng)極處理壽命不長(zhǎng)，日后會(huì)出現(xiàn)氧化變色的現(xiàn)象；烤漆保護(hù)成本則較低且保護(hù)效果也好，然而一般烤漆不具備散熱功能，反而會(huì)將熱能封鎖在散熱器內(nèi)，導(dǎo)致LED發(fā)光功率降低，成為光衰的幫兇之一，而LED燈具軟陶瓷散熱漆正足以解決此問題。
LED燈具軟陶瓷散熱漆可直接噴涂于LED燈具外部，且適用于各種形狀的散熱結(jié)構(gòu)，并可調(diào)整成不同色彩以因配合景觀設(shè)計(jì)需求。葉圣偉指出，噴涂式散熱漆內(nèi)的軟陶瓷粒子經(jīng)由奈米化處理，粒子相當(dāng)細(xì)微，不僅易于噴qiang操作，且能讓同一涂布面積上的導(dǎo)熱粒子多且密集，進(jìn)而加大讓溫度揮發(fā)透散的面積，促使LED燈具的熱能可迅速傳導(dǎo)出去。
提升LED轉(zhuǎn)換效率為根本之道
LED街燈散熱方式多元，不過，解決光衰問題的最根本解決之道還在于提升LED芯片的轉(zhuǎn)換效率，高壓(HV)LED便是在此方面有所突破的新技術(shù)。晶元光電研發(fā)中心副總經(jīng)理謝明勛指出，高壓(HV)LED為新制程，是在單一芯片上置入LED矩陣，芯片上電流路徑較短，因此可減少奧姆損失(Ohmic Loss)，且具備更高的光抽出效率(Extraction Efficiency)，所以可提高光電轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而降低散熱需求。他表示該公司高壓LED已打入飛利浦(Philips)LED照明的供應(yīng)鏈。據(jù)了解，除晶元光電外，包括億光電子、臺(tái)達(dá)電、齊瀚、葳天、南亞光電、迪源光電與連展科技等LED封裝、晶粒和燈具系統(tǒng)商已展開產(chǎn)品線、技術(shù)及市場(chǎng)部署。
業(yè)界估計(jì)，2020年LED轉(zhuǎn)換效率可以提升至50%，屆時(shí)LED的散熱問題已解決大半，不過，在此之前，LED街燈的散熱技術(shù)顯然仍有許多發(fā)揮空間，畢竟，唯有降低溫度，LED街燈產(chǎn)品的使用年限才得以增加，LED路燈始能進(jìn)一步普及。
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責(zé)編：Quentin
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