高功率LED的散热设计与应用趋势分析

文章摘要： 随著全球的环保意识抬头，白炽灯泡将采取逐渐减少用量的政策，以降低环境光源所造成的大量能源浪费问题，取而代之且最具替代优势的新世代光源，就属LED产品莫属。LED发展迄今已逐渐具备多项成熟优势，例如，省电、高效率、高反应速度、寿命长，与全制程均不含汞的多项环保优点，加上体积小、重量轻与可在各种表面设置等元件特色，已成为全球灯具与元件厂积极开发的应用光源，但实际上LED在我们所输入的能源中，仅有两成能源可以转换为光能，剩下的八成能源多半形成废热散逸。LED虽在元件有多项环保优势，但与一般白炽灯具一样，灯具本身自己发光产生的热，也会间接影响灯具自身的使用寿命，尤其是LED为点状发光光源，其

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     随著全球的环保意识抬头，白炽灯泡将采取逐渐减少用量的政策，以降低环境光源所造成的大量能源浪费问题，取而代之且最具替代优势的新世代光源，就属LED产品莫属。LED发展迄今已逐渐具备多项成熟优势，例如，省电、高效率、高反应速度、寿命长，与全制程均不含汞的多项环保优点，加上体积小、重量轻与可在各种表面设置等元件特色，已成为全球灯具与元件厂积极开发的应用光源，但实际上LED在我们所输入的能源中，仅有两成能源可以转换为光能，剩下的八成能源多半形成废热散逸。

　　LED虽在元件有多项环保优势，但与一般白炽灯具一样，灯具本身自己发光产生的热，也会间接影响灯具自身的使用寿命，尤其是LED为点状发光光源，其所产生的热能也集中在极小的区域，若产生的高温无法顺利排解，那LED的结面温度将会因此偏高，进而直接影响LED的使用寿命与发光表现。

　　LED的光衰问题 须透过辅助技术改善

　　LED虽是极具未来性的光源元件，即便具备寿命长优点，但依旧仍有其寿命限制，尤其是大功率的LED，因为其发光功率高，所加诸的电力大，工作时间超长，甚至还必须放置于户外应用，在环境与元件本身的诸多限制，往往令其使用寿命大幅降低。

　　过去在元件的概念都以为，LED至少都有10万小时寿命，其实目前的元件在实地应用时，却不见得能达到如此高标准的寿命表现，其实问题的核心就在LED的光衰现象，一般而言，如果不考虑线路或是电源电路的故障问题，LED元件本身若发光亮度降低至原有的30%以下，就可以视此LED元件达到不堪用的程度。观察LED的光衰现象，可以从多个层面讨论，多数的白光LED是由蓝光晶粒LED搭配光学塑料掺杂$萤光粉所呈现，以白光LED为例，其光衰现象就可以从蓝光晶粒本身的光衰、与$萤光粉本身的光衰两部分所组成。

　　在萤光粉的光衰问题，其实对于温度的影响甚巨，而在晶粒的光衰问题，不同颜色的晶粒光衰现象亦有蛮大的差距，其光衰特性的差异视不同厂商、制程与萤光粉配方不同，都会影响其表现，很难用一致性的讨论来下定论，一般LED元件的光衰表现可透过LED的厂商的测试数据，检视其光衰曲线图大致确认元件特性。

　　元件温度将直接影响使用寿命

　　一般而言，LED的结面温度与发光效率是两组对立的数值，当结面温度增加，发光效率也会持续降低，以实验室的数据取一般LED为例作为参考，当结面温度持续自室温提升到100度时，发光效率将持续减低，最高可减少70%左右，如果取白光、蓝光、红光与黄光几种常见LED光色产品进行*估，会发现黄光LED受热造成的光衰现象更为显著。

　　同时，若将关注焦点移转至使用寿命部分进行微观检视，在测试数据可以很明显发现在70度高温上下运行时，LED的使用寿命即有75%衰退状况！同理可证，若要让LED发光源能达到最佳化的应用表现，不管是发光效率的提升、还是使用寿命的延长，LED「散热」设计就成为相当重要的关键技术。

LED光源最大的挑战在克服光衰，光衰问题必须从散热着手

　　观察LED元件的结构特性

　　想了解LED的散热问题与待克服的技术瓶颈，就必须先针对LED结构特性进行观察，了解其运作是如何产生热源，与在不加诸任何辅助散热措施下，LED是透过何种方式处理所产生的热源。

　　基本上LED为电流驱动元件，发光的方式是于LED晶粒(Die)以共晶(Eutectic)、覆晶(Flip chip)或打金线的方式，把晶粒放置在基板上，而为了保护共晶、覆晶或打金线的线路与晶粒本身，外表覆上耐高温的透明材料、或是光学材料。

　　从结构上就能发现，除了LED外覆光学材料的表面可透过接触空气进行热交换的散热行为外，LED在发光过程所产生的热，亦可从晶粒上打的金线，直接传导至焊接的主机板散逸热源，此外，晶粒采共晶或覆晶所放置的System circuit board，透过表面接触的热传导效果，也可散出绝大部分产生的热源。

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