LED 照明應用趨勢及散熱問題由于固態光源(Solid State Lighting)技術不斷進步，使近年來LED 的發光效率提升，逐漸能取代傳統光源，目前發光效率已追過白熾燈及鹵素燈而持續向上成長，如圖1所示。而一些公司更已開發出效率突破100lm/W 的LED 元件，這也使得LED 的照明應用越來越廣，不但已開始應用于室內及戶外照明、手機背光模組及汽車方向燈等，更看好在高瓦數的投射燈及路燈等強光照明、大尺寸背光模組以及汽車頭燈等的應用。由于擁有省電、環保及壽命長等優點，更使未來以LED 光源為主流的趨勢越趨明顯。
圖1 LED 發光效率趨勢比較
為了讓LED 發更亮的光而需要輸入更高的功率，然而目前高功率LED 的光電轉換效率(Wall-Plug-Efficiency; WPE)值仍然有限，一般僅有約15~25% 的輸入功率成為光，其馀則會轉換成熱能。由于LED晶片面積很小(~1mm2)，因此使高功率LED單位面積的發熱量（發熱密度）非常高，甚至較一般的 IC 元件更為嚴重，也使得LED 晶片的接面溫度(Junction Temperature)大為提升，容易造成過熱問題。過高的晶片接面溫度會使LED 的發光亮度降低，其中以紅光的衰減最為明顯。也會造成LED 的波長偏移而影響演色性，更會造成LED 可靠度的大幅降低，如圖2所示，因此散熱技術已成為目前LED 技術發展的瓶頸。
圖2 元件壽命和晶片溫度的關系
LED 照明應用趨勢及散熱問題由于固態光源(Solid State Lighting)技術不斷進步，使近年來LED 的發光效率提升，逐漸能取代傳統光源，目前發光效率已追過白熾燈及鹵素燈而持續向上成長，如圖1所示。而一些公司更已開發出效率突破100lm/W 的LED 元件，這也使得LED 的照明應用越來越廣，不但已開始應用于室內及戶外照明、手機背光模組及汽車方向燈等，更看好在高瓦數的投射燈及路燈等強光照明、大尺寸背光模組以及汽車頭燈等的應用。由于擁有省電、環保及壽命長等優點，更使未來以LED 光源為主流的趨勢越趨明顯。
圖1 LED 發光效率趨勢比較
為了讓LED 發更亮的光而需要輸入更高的功率，然而目前高功率LED 的光電轉換效率(Wall-Plug-Efficiency; WPE)值仍然有限，一般僅有約15~25% 的輸入功率成為光，其馀則會轉換成熱能。由于LED晶片面積很小(~1mm2)，因此使高功率LED單位面積的發熱量（發熱密度）非常高，甚至較一般的 IC 元件更為嚴重，也使得LED 晶片的接面溫度(Junction Temperature)大為提升，容易造成過熱問題。過高的晶片接面溫度會使LED 的發光亮度降低，其中以紅光的衰減最為明顯。也會造成LED 的波長偏移而影響演色性，更會造成LED 可靠度的大幅降低，如圖2所示，因此散熱技術已成為目前LED 技術發展的瓶頸。
圖2 元件壽命和晶片溫度的關系
因此散熱設計的挑戰較大，必須從晶片層級、封裝層級、PCB 層級到系統模組層級，都要非常重視散熱設計，并尋求最佳的散熱方桉。對于LED 照明產品而言，由于系統端的散熱限制較大，因此其它層級的散熱需求就更明顯。
對于LED 熱傳問題，最基本的分析方法就是利用熱阻網路進行分析。也就是將LED 由晶片熱源到環境溫度的主要散熱路徑建構熱阻網路，如圖3所示，然后分析各熱阻值的特性及大小，如此可以推算理想狀況時的晶片溫度，并針對熱阻網路各部分下對策以降低熱阻值。需注意的是，圖3是就Chip Level 、Package Level 、Board Level 及System Level 組成的熱阻網路。實際分析時可依據系統結構組成更詳細的熱阻網路，例如考慮Die Attach 材料及Solder 等介面材料之熱阻，或是散熱模組結構之熱阻值。
圖3 LED 散熱路徑及熱阻網路
Chip Level 、Package Level 和PCB Level 的散熱設計
由于LED 晶片的Sapphire 基板導熱特性較差，會造成圖3之熱阻值Rjs 過高，因此改善方式必須用高導熱的材料如銅取代Sapphire ，或是采用覆晶方式將基板移開熱傳路徑，以降低熱阻值。
目前在晶片到封裝層級性能較佳的散熱設計，包括共融合金基板及覆晶形式等設計，使熱更容易從晶片傳到封裝中。而增加晶片尺寸以降低發熱密度也是可行的方向。在封裝散熱設計技術上，利用高導熱金屬(Al, Cu..)的散熱座，如圖4所示，及高導熱陶瓷基板(AlN, SiC...)等設計則可將晶片的熱迅速擴散，有效降低封裝熱阻值Rsc 。在PCB 層級的散熱設計上，和傳統PCB 不同的地方主要是由于LED 發熱密度太大，傳統FR4+ 銅箔層的散熱能力有限，因此需要藉由較厚的金屬層以降低擴散熱阻(Spreading Resistance)，此種結構稱為MCPCB (Metal Core PCB)。
MCPCB的基本結構如圖5所示，包括較厚的金屬層、介電層及銅箔層。可將封裝的熱進一步擴散并迅速傳到系統模組的散熱元件，以縮小熱阻值 Rcb。
圖4 高功率LED 之封裝結構及Heat Slug 結構
圖5 MCPCB 結構圖
為了降低元件熱阻值，目前一些設計採用Chip-on-board 的設計，直接將LED 晶片設計在MCPCB 上，而減少封裝材料及Solder 界面材料的熱阻值，因此提升散熱效果，目前許多公司的產品也採用此種設計方式(Lamina Inc., Citizen Inc., OSRAM Inc, Avago Technologies...)。然而，此種設計增加了光學設計的困難及造成製程可靠度問題，設計上較為複雜。
散熱模組的散熱設計
圖6是一種LED 燈具的結構及其較完整的熱阻網路相對關系圖，透過熱阻網路的建構及計算，可以了解模組各部份的散熱情形，以進行溫度計算評估或是散熱對策設計。LED 模組的散熱設計在PackageLevel 及Board Level 以傳導為主，因此如何縮短散熱路徑、提升熱傳導率以及傳熱面積是主要重點，而在System Level 則是以對流及輻射方式為主，由于LED 壽命高及低成本的要求，因此不需風扇被動形式的自然對流，是成本最低及可靠度最高的散熱方式，而以各階層的熱阻值在熱阻網路所佔的比例來看，由于自然對流散熱能力有限，因此由散熱模組散到空氣中的熱阻一般都佔了較重的比例。
圖6 LED 燈具之熱阻網路
和電子產品不同的是，一般電子產品系統有通風口，因此PCB 可透過對流及輻射傳熱到空氣，而LED 照明產品許多是密閉的，因此限制了元件的散熱能力。由于散熱模組帶走熱的能力和散熱設計方式有很大關係，如何提升與空氣接觸面積、提升對流係數或是增加輻射熱傳效果是主要設計方向。在照明應用時，由于一些機構如接頭甚至外型等須符合傳統燈具規格（如MR16），以及重量的要求，因此更進一步限制了散熱結構的設計，造成散熱的挑戰，也使在散熱設計時需要更為注意最佳化的設計。
新散熱技術的應用
一些新的技術也開始應用于LED 照明，如利用合成式噴流(Synthetic Jet)原理製作的PAR-38 LED Lamp。和風扇不同的是此設計利用膜片震盪，壓縮空氣通過噴嘴，利用一次噴流造成的負壓推動中心噴流而增加流體流速，散熱效能較傳統風扇散熱方式高。由于不需風扇，因此可靠度提升，而噪音也小。利用日冕放電(Corona Discharge)原理製作的電流力幫浦(Electro-aerodynamic Pumping)為動力的固態風扇，利用帶電離子的迅速移動產生對流，具有高風量的優點，同時功耗降低及提升可靠度，如圖十八所示。工研院電光所利用熱電元件作為LED 元件散熱應用并實際整合于LED 模組封裝，利用固態的熱電冷卻原理(Peltier Effect)降低LED 晶片溫度，結果顯示熱電元件可大幅降低元件熱阻值，并提升發光亮度，如圖7所示。
圖7 整合熱電元件之LED 散熱設計
圖8 固態風扇
此外也研究利用壓電風扇等散熱技術，進行高功率LED 散熱設計。而高散熱能力的微流道散熱能力可達500W，而微噴流的設計散熱能力也可達200W 以上，其應用在未來值得重視。除了應用新的散熱技術，新的散熱材料也開始應用于LED 照明散熱，例如可射出成型的高導熱塑膠，熱傳導率可達20W/mK ，可應用于燈具的外殼。而高導熱碳纖維、奈米碳管及類鑽石等高導熱材料也開始應用于LED 散熱，使得LED 照明產品的散熱設計越來越多元化。
LED 照明產品的散熱設計非常重要，關係到產品的品質及壽命。透過熱阻網路可迅速分析散熱能力及需求并尋求散熱對策，由于高功率LED 發熱密度很大，必須從Chip Level、Package Level、Board Level到System Level 各層級進行散熱設計，降低熱阻，才能得到最佳的散熱效果。目前國際上各大LED 晶片及封裝廠商都致力于發展發光效率更高的產品，透過提升光的量子效率等方式提升光電轉換效率，以降低晶片發熱量，希望能在2012 年前將發光效率提升至150lm/W ，而發熱比例降低到25% ，將可使散熱的瓶頸大為降低，也可使被動形式的散熱設計更能應用于各種高功率LED 產品。但這畢竟非一蹴可及，仍具有相當的困難度。為了使LED 產品的發展及應用更為快速，相關的散熱技術仍需同步發展。由于人類對于生活品質的需求不斷提升，就如同IC 產品對于散熱的需求一直存在，散熱設計在各種高功率LED的產品設計中仍將佔有重要的地位。
節能減排熱潮下 如何提升LED道路照明可靠性
LED道路照明應用在各地政策推動下建設的如火如荼，LED作為綠色照明產品應用于路燈照明，也是地方培育以低碳排放為特征的新的經濟增長點，拉動經濟社會發展的新“引擎”。但由于產品品種多、技術難度大、各家企業的技術水平差異和評價方式不一等原因，導致部分地區也有不成功的案例，為此中國半導體照明網編輯連線了鑫源盛科技股份有限公司技術總監管新寧Ph.D.就LED道路照明的可靠性問題，作了了解，希望對業內有所啟迪。
管新寧先生對失敗案例有自己的看法，他認為：“近年來在全球環保潮流之下，LED照明產業迅速興起，有許多科技公司投入此新興產業，但由于LED照明信賴性能標準未能實時訂定、妥為規范，導致個別產品無法通過考驗、嚴重光衰收場，主要原因是無設計理論性研究為檢視支柱，因而造成使用業主疑慮，也因此推遲產業發展時機。為此LED照明解決方案供貨商鑫源盛科技(Thermalking)，提供了高性能LED路燈多項組件至燈具系統的各項重要技術指針規格數據，供業界參考。”
LED芯片與封裝組件發光效率關鍵技術指針部分，首要之LED芯片與封裝組件關鍵技術，歐美、日廠商均已量產突破發光效率100~120lm/W以上，超越傳統最高效率的HID光源(發光效率90~110lm/W)，解決目前LED燈具總體光效不足≧45lm/W問題，滿足道路照明壽命長、光衰低，符合國際標準平均照度，達25~40Lux規格與節能30~60%需求。
LED發光效率、溫升與壽命規格關鍵技術指針部分，檢視CREE或Osram LED等業者所公布的數據，其芯片PN結工作溫度Tj＜75~85℃，方能確保高于85%出光效率下工作壽命達5萬小時，且芯片PN結至本身導熱片(Tjs)溫升為ΔT＝6~15℃之間，另外LED光效率與工作溫度成反比性能特性，每升高10℃，就會導致光衰3~6%并且壽命減半的嚴重后果，與一般宣傳LED可工作于100~125℃壽命可達10萬小時以上的論點,卻忽略在此條件下已造成光效率折損25~30%的觀念相去甚遠。
LED路燈系統熱傳散熱環境溫度關鍵技術指針部分，此類燈具系統工作溫度不得高于85-10=75℃；臺灣LED道路燈具規范CNS15233規定，耐久性試驗環境溫度為50℃，因此路燈散熱系統溫升必須小于ΔT≦25℃。以鑫源盛科技150W LED路燈為例，熱傳散熱系統溫升測試低達ΔT≦13℃，計算其熱阻值Tr=0.08℃/W，而多數業界廠商設計系統溫升測試ΔT≒30~40℃，計算其熱阻值Tr=0.2~0.26℃/W；以相同條件下鑫源盛科技的產品較其它廠商產品壽命將增長2倍且亮度增加15%以上。另外以鑫源盛科技350W LED燈具測試，其散熱系統溫升仍能達成ΔT＝15℃，熱阻值Tr＝0.04℃/W。
LED路燈系統熱傳散熱關鍵技術部份，電子機器設備熱傳、散熱方法有適用于小功率自然散熱方法，目前如MR16/PAR30由1~70W產品，系統溫升已高達30~40℃。若超過100W仍使用自然散熱方法，就如同目前市面上大部分產品，必須使用大量鋁合金材料增加導熱量和超大的熱交換面積，體積重量動輒2、30Kg，非但增加燈具成本更增添了燈桿燈具安全懸掛的風險。自然散熱的定律為使用越重越大面積的金屬材料來降低溫度，效果越好，但僅鋁合金材料成本即增加60~200元新臺幣/公斤，若干廠商號稱使用熱管或回路熱管即可達到散熱效果，這僅僅解決了熱傳導，不論是熱管或者是回路熱管都只有熱傳導的功能并沒有散熱的功能，若要達到良好散熱必須使用相對瓦數的有效散熱面積也就是必須增加大面積的金屬材料來做熱交換；否則必須改用工業級高信賴性冷氣機空調、計算機CPU等高階大功率產品所使用之主動強制散熱方法，高效率、軍規的小風扇壽命保證7萬小時，并具備IP65防水防塵等級，再加上熱導管與散熱鋁鰭片等適當的原件與合理的機構設計，經過測試燈具系統溫升可低達ΔT≦12~15℃，與自然散熱方法比較降溫達25℃，壽命將增加2倍且光效率亮度增加10~15%以上。
LED路燈系統可靠性、耐久性 環境適應性能測試指標部分，一般LED燈具產品設計均未考慮到落塵防護系統，室外道路用燈具必需完全防止砂塵暴、膠質懸浮物、重力落塵堆積于散熱結構，以避免導致LED過熱燒毀之問題。若散熱結構朝向天面導致落塵堆積，熱累積無法發散，將可能產生LED光衰及燒毀狀況。要解決以上問題，可設計采用散熱結構朝向地面來因應。其它抗鹽霧測試等等，鑫源盛科技現有產品經戶外測試時間2萬小時后，光衰＜10%、狀況良好。主干道路照明光學設計亦可達到世界標準，即10公尺高燈桿必須平均照亮橫幅40公尺的長型路面，解決高難度光學鏡片設計，達到高寬比1:4之要求。另外核心燈芯技術模塊亦達到了輕巧化，不需依賴燈殼做為散熱體，因此燈體外型設計可任意變化形狀，達成各城市美觀特色。
做為一個高科技節能照明產業的從業人員必須認清，良好的燈具散熱包含熱傳導、均溫性、熱交換等復雜的熱傳學傳統基礎硬理論為依歸，并非坊間所稱LED燈是冷光不發熱,又有以高貴的奈米科技或航天科技等單一原件或特殊材料尋求解決。終端客戶霧里看花之際，必須正視LED路燈的性能必須要有科學的數據、理論做支撐、完善的系統設計方法為方針、良好的制程為基礎，最后在以第三公正單位的檢測報告為依據，這樣才不會一再發生光衰退貨阻礙產業發展的惡性循環，臺灣鑫源盛科技愿意與全世界同業共同分享多年來的研究成果以及專利技術，其中包含了強制散熱、向下散熱、液態散熱等發明專利與數十項新型專利，共同攜手照亮全世界。