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        淺談LED燈具的散熱設計

        發布日期: 泛科科技

          一、前言

          LED又稱發光二極管,屬于半導體組件,自1962年美國通用電氣公司開發出全球第一種可實際應用的紅光LED開始,至今LED已邁入全彩時代。LED的發光原理簡單來說是由含電洞之P型半導體與含電子之N型半導體結合成之P-N二極管,在P-N二極管兩端加上順向偏壓,當電流通過時,電子與電洞流至接合面接合時會放出能量而發光 。

          1. LED發光原理

          LED本身是單色光源,如今隨著光效提升及藍光LED的出現,它的應用(application)也逐漸偏向多元化,從早先的低功率電源指示燈演進成LED背光模塊和LED照明…等高功率應用。LED被譽為21世紀的照明新光源,它具有效率高、壽命長、省能源(解釋:向自然界提供能量轉化的物質)、不易破損、環保無汞…等傳統光源無法與之比較的優點(advantage),在節能減碳及環保意識方興未艾之際,加上各國政府陸續宣示的能源政策,使得占生活(shēng huó)用電大量比重的「照明」成為鼓勵汰換的項目之一。能源趨勢、政府法令與LED發光特性三者相乘作用之下,促使LED照明產業的蓬勃發展(Develop),也吸引了國內/外廠商對于LED上、中、下游產業的投入。

          LED如同所有電子零件一般,在使用或運作的過程中都會產生熱量及溫升現象,如果忽視散熱問題,將導致LED因高溫而提早燒毀的結果。led燈珠PN結的端電壓構成一定勢壘,當加正向偏置電壓時勢壘下降,P區和N區的多數載流子向對方擴散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多,所以會出現大量電子向P區擴散,構成對P區少數載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復合,復合時得到的能量以光能的形式釋放出去。這就是PN結發光的原理。LED燈具的設計較傳統燈具復雜,包含光學、機構、電子及散熱,其中「散熱」尤其重要,因為目前高功率LED燈具的轉換率僅有20%會轉換成光,其余80%會轉換為熱,如果不能將熱量導出燈具之外,將無法達到LED光源宣稱的50,000小時壽命,同時熱量會影響(influence)LED的發光效率,導致嚴重光衰及燈具毀損的慘況。

          二、LED燈具的散熱設計

          LED的發光效率及壽命與工作溫度息息相關,呈現反比關系,下為美國 CREE 所發布的LED壽命報告,溫度每下降10 ℃壽命將延長2倍且光通量提升3%~8%。

          2. LED壽命報告 數據(data)源:CREE

          由于高功率(high power)LED技術(Technology)的發展,使得LED燈具面臨到熱管理和散熱設計的嚴苛挑戰,因為溫度升高不但會造成亮度(Luminance)下降,當溫度超過攝氏100度時更會加速燈具本體及封裝材料的劣(liè)化。led燈珠使用低壓電源,供電電壓在2-4V之間,根據產品不同而異,所以它是一個比使用高壓電源;更安全的電源,特別適用于公共場所;亮度隨電流的增大而變亮,小功率LED燈珠工作電流為0-60mA,大功率LED工作電流在150mA以上。因此,除了LED封裝組件本身的散熱技術外,LED燈具的散熱及導熱設計更是維持燈具壽命的最大關鍵。

          LED應用于戶外照明,其散熱設計相較于其他LED終端(Terminal)產品更為復雜多元,因為LED燈具的操作環境會因為溫度變化、沙塵量、濕度…等因素(factor)更加嚴苛。以LED路燈為例,要能夠長時間于戶外環境工作,不僅必須符合安全(safe)法規的要求 ,更需達到克服光學特性(characteristic)穩定性、沙塵侵襲、鳥糞堆積、空氣中膠質懸浮物質及水氣虹吸現象造成之防水(waterproof)防塵問題等可靠度及惡劣環境的考驗。

          在燈具設計(Design)方面,由LED蕊片、LED芯片基板、芯片封裝、線路設計、系統電路板、散熱(radiating)鰭片到燈具外殼再再都考驗著LED產業上、中、下游(比喻落后的地位)的研發(研制開發)能力。led臺燈就是以LED即發光二極管為光源的臺燈,LED是一種固態的半導體器件,它可以直接把電轉化為光。其使用的LED照明技術是第三代照明技術。LED臺燈使用產生的藍光會對眼睛造成傷害,但也有一系列優點。傳統用于指示燈的LED多為炮彈型結構(Structure),其四周以絕緣性環氧樹脂(Resin)進行封裝,故LED晶粒所產生的熱能主要由下方的兩根金屬導線以傳導方式往系統電路板方向散出。然而當LED跨入照明領域后,1W以上的高功率LED成為主流,也為了增加熱傳導面積,照明用途之LED改采平板式封裝,使LED芯片基板和系統電路板能有較大的貼(tiē)和面積。

          3. 炮彈型和平板式LED芯片

          目前(Nowadays)常見的LED芯片基板為陶瓷基板,其散熱性佳,低膨脹(inflate)系數等特性,減低因熱應力而產生的變型,其次還具有耐熱、耐潮、絕緣(insulated)等優點,故陶瓷基板成為高功率(指物體在單位時間內所做的功的多少)照明用LED芯片基板的常用散熱材料。陶瓷基板目前分為3大類:氧化鋁、 低溫共燒陶瓷、氮化鋁,其中以AlN之導熱性最佳,但技術門坎最高,故AlN多用于3W以上之LED產品,而Al2O3則用于1W~3W的范圍, LTCC則適用于大尺寸大功率、小尺寸小功率之LED產品。以Cree XLamp LED系列為例,即采陶瓷基座優化散熱量力。

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