浅谈LED灯具的散热设计

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1、浅 谈 LED 灯 具 的 散 热 设 计一 、 前 言LED 又 称 发 光 二 极 管 (Light Emitting Diode)， 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 ，

2、 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

3、 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

4、 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 2

5、0%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

6、光 通 量 提升 3%8%。浅 谈 LED 灯 具 的 散 热 设 计图 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

7、 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

8、 )、 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

9、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 。浅 谈 LED 灯 具 的 散 热 设 计图 3. 炮 弹 型 和 平 板 式 LED 芯 片目 前 常 见 的 LED 芯 片 基

10、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

11、产 品 ， 而 Al2O3则 用 于 1W3W 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 Cree XLamp LED 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

12、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 。浅 谈 LED 灯 具 的 散 热 设 计图 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

13、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 等 空 间 受 限 的 照 明 产 品 ， 可 减 低 控 制 线 路 布 置 上 的 困 难 性 。 相 较 于 一 般 LED，高 压 LED 的 驱 动 电 流 较 小 ， 产 生 的 热 量 也 相 对 较 少 ， 可 避 免 掉 入 ”温 度 上 升 阻 抗 下 降 电 流 增 加 热 能 增 加 温 度 上 升 ”的 恶 性 循 环 中 ， 可 设 计 出 系 统 稳定 性 较 佳 的 LED 灯 具 。介 绍 完 LED

14、芯 片 基 板 后 ， 接 着 提 到 同 样 于 传 递 热 量 具 有 重 责 大 任 的 系 统 电 路 板 ，LED 芯 片 藉 由 焊 接 和 系 统 电 路 板 进 行 链 接 ， 由 蕊 片 所 产 生 的 热 能 也 由 芯 片 基 板 传 导到 系 统 电 路 板 ， 目 前 常 用 的 为 具 有 高 导 热 系 数 的 金 属 蕊 基 板 (Metal Core PCB;MCPCB)， 虽 然 前 述 有 提 过 陶 瓷 基 板 的 导 热 性 能 佳 ， 但 因 系 统 电 路 板 之 面 积 较大 ， 在 考 虑 成 本 因 素 和 灯 具 重 量 等 因 素 ， 多

15、 会 舍 弃 陶 瓷 基 板 ， 改 用 MCPCB做 为 系 统 电 路 板 。 MCPCB 由 3 层 结 构 所 构 成 ， 由 上 而 下 分 别 为 导 电 线 路 层 、 高 导热 绝 缘 层 和 金 属 基 板 ， 其 中 高 导 热 绝 缘 层 的 材 质 须 慎 选 ， 若 使 用 高 膨 胀 系 数 的 材 质 ，绝 缘 层 易 在 高 温 下 膨 胀 而 产 生 裂 缝 、 空 洞 ， 反 而 使 空 气 进 入 MCPCB 中 ， 形 成额 外 的 热 阻 抗 ， 降 低 导 热 的 效 率 ， 部 分 厂 商 会 于 导 热 绝 缘 层 和 金 属 基 版 间 喷 涂

16、 陶 瓷 散热 漆 ， 可 提 高 绝 缘 层 的 绝 缘 阻 抗 、 节 省 多 层 导 热 胶 的 材 料 成 本 和 加 强MCPCB 的 散 热 能 力 ;最 底 层 的 金 属 基 板 多 采 用 铝 合 金 ， 利 用 铝 合 金 较 佳 的 散 热 特 性 ，达 到 热 传 导 的 目 的 。系 统 电 路 板 的 后 端 结 合 着 散 热 系 统 进 行 散 热 ， 散 热 系 统 可 分 为 主 动 式 散 热 和 被动 式 散 热 ， 主 动 式 散 热 包 含 风 扇 强 制 散 热 和 磁 力 喷 流 散 热 ， 被 动 式 散 热 包 含 自 然 对 流散 热 、 回 路 热 管 散 热 ， 其 下 将 一 一 介 绍 ：1.风 扇 强 制 散 热 ：风 扇 强 制 散 热 顾 名 思 义 就 是 藉 由 风 扇 产 生 空 气 对 流 ， 将 热 空 气 导 出 灯 具 本 体 外来 进 行 散 热 ， 使 用 风 扇 强 制 散 热 可 以 非 常