LED固态光源的散热改善方式

　　LED固态光源的运作温度如何有效散逸，会影响整个光源应用的照明效能、能源利用效能、装置寿命等重要关键，而改善散热的方式可自晶片层级的技术、封装LED晶粒的技术、电路板层级的技术去进行改善。

　　在晶片层级的散热处理手段方面，由于传统的晶片制法，多以蓝宝石作为基板进行设计，而蓝宝石基板的热传导系数接近20W/mK，其实很难将LED磊晶产生的热快速散出，目前主流的作法，在针对LED晶片级的散热强化处理，尤其是针对高功率、高亮度的LED元件方面，为使用覆晶(Flip-Chip)的形式，有效利用覆晶将磊晶的热传导出来。

　　另也有一种方式，是采行“垂直”电极的方式去制作LED元件，由于LED元件上下两端都设有金属电极，此可在散热的问题上得到更大的助益。 例如，采用GaN基板作为材料，由于GaN基板即为导电材质，因此电极可以直接做在基板下方进行连接，即可得到快速散逸磊晶温度的效益，但这种作法因为材料成本较高，也会比传统蓝宝石基板作法的成本贵上许多，会增加元件的制作成本。

　　至于封装层级的散热强化作法则相当多，此处列举几个常见的作法。 一般而言，LED制作过程，会利用光学等级的环氧树脂来包住整个LED，借此来使得LED元件能在机械强度方面的表现更佳，甚至也可保护元件内的相关线路，但环氧树脂的作法虽可提升元件强度，却同时限制了元件的温度操作范围，因为光学级的环氧树脂于高温下使用时，会因为高温或是强光，让环氧树脂的光学特性劣化，甚至材质本身也会造成劣化。

　　图6：亮度强化的灯具，局部高温问题也会加剧，必须搭配更强力的主动散热技术因应。

　　目前常见的封装改善方式，仅有在多数中/低功率的LED元件才使用传统的炮弹式封装技术，在高亮度、高功率的LED元件方面，多数改用Lumileds Luxeon系列封装法，将散热路径集中于下方的金属，内部的封装改用光学特性和耐高温、耐强光表现较优异的矽树脂去进行封装，此封装法可获得较佳的机械强度表现，同时其内部对高温、紫外线照射、高强度蓝光LED有更强大的耐受能力。

　　在电路板层级的散热改善方面，比较一般的作法即采FR4(PCB)制作，热传导性能中上表现的会采取金属基PCB，如MCPCB、Integrated Metal Substrate(IMS)处理，进阶高效能热传导能力的会采取陶瓷基板(Ceramic)去制作。

　　一般FR4(PCB)具备低成本优势，但导热效能相对较差，多用于低功率的LED装载方面。 金属基PCB(MCPCB、IMS)由于操作温度高，例如MCPCB结构由铜箔层、绝缘(介电)层、铝基板构成，一般铜箔层(电路)为1.0~4.0盎司、绝缘(介电)层为7.5um~150um、铝基板(金属核心)层厚度在1mm~3.2mm左右厚度，可用在摄氏140度环境下，但制作成本为中高价位。 陶瓷基板(Ceramic)的单价与成本更高，因为陶瓷的热膨胀系数表现佳，可让乘载的晶片更为匹配，但无法用在大面积的电路，对于LED光源应用方面，多数仅用于承载LED元件的区块电路使用，来提升热传导效率。

　　除前述常见乘载的电路板外，其实还有多款相对具较佳热传导技术的基板技术，例如陶瓷基板(氧化铝)、铝镁合金、软式印刷电路板、直接钢接合基板(DBC)、金属基复合材料基板等技术，但部分技术仍有制程、装载或是成本方面的考量，必须视最终成品的实际热流模型限制与改善幅度是否值得更换载板而定。

　　外观机壳、构型限制与模组化线路设计

　　LED固态光源，因应实际应用的需求，因为装设现场不会有DC直流电源，而多半替代传统光源的设置环境又只有AC交流电源，为了让LED固态光源可以达到便利替换的装设方式，相关设计就必须朝向整合电源转换电路或是发展AC LED方向设计，但实际上，AC LED的发展成本仍高，而相关产品的现况仍待观察，因此，现阶段朝整合电源转换的设计方式较为可行。

　　多数装设环境，若是为取代原有白炽灯的设计方式，则会有相当大的技术挑战! 因为白炽灯的体积小，LED固态光源必须整合驱动电路、电源转换电路、温度感测电路与主动散热电路，如此一来，在相对电路密集空间有限的产品构型，第一个要面对的就是散热设计。

　　目前灯泡型的LED固态光源设计，电路多采模组化设计，为了简化电路设计，目前也有相关电源晶片业者推出整合LED灯泡电路设计专属的电源、温控、电源转换、主动散热驱动电路的解决方案，目前尚未有单晶片解决方案，但已把繁复电路与多样离散数位/类比元件整合至数颗积体电路解决，让灯泡型的LED固态光源设计不会受空间限制而必须采取折衷或是让产品失去替代传统光源的设计限制。

　　以灯泡型的设计为例，在灯泡接座大量采铝挤构型机构设计，此举可让内部电路与LED产生的热，透过灯泡本体的铝挤机构进行散热，而采取模组化搭配晶片解决方案，让内部线路大幅简化，也减少内部温度传导的热阻问题，搭配主动式散热机制利用小型化风扇强制气冷散热处理，解决小型化LED灯泡的设计开发需求。

　　另一种常见的嵌入式灯具，也是LED固态光源积极抢进的产品线，因为嵌入式灯具(嵌灯)，常见设计是采用卤素灯泡为光源，此为高热、低效率、高成本的无效率光源，但为了基于装潢美化环境的需求，又是许多室内设计相当常见的应用光源，虽然也有采取萤光灯式的嵌灯设计，但萤光灯式会有体积较大的问题，部分室内环境气氛营造的光源，并不会使用这类光源。 回到LED固态光源取代这类室内嵌灯的设计应用方面，与灯泡型LED固态光源一样，嵌灯的构型设计挑战更严苛，因为嵌灯多数需求为柔和光线，点状光源的LED发光方式，必须利用光学透镜去改善光源特性，此会造成体积上的增加，虽然有些产品采取利用封装技术去改善光型，但大体上能修整光线型态的程度有限。

　　另外，嵌灯的体积限制更多，加上多半是设置于装潢天花板、夹层、木作之中，嵌灯对于散热的要求更高，才能得到较佳的应用安全性。 嵌入式灯具LED光源设计，由于灯具的装设以配合装潢为主，在设计方面反而可以做到分散式的功能设计，例如，将电源电路与嵌灯本体分离开发，这可以让电源转换电路不会成为嵌灯模组内的热流模型热阻一环，让光源本身仅需设置驱动电路与主动散热相关电路，可有效缩小产品体积，或增加散热机壳、散热元件的设置空间，提升整个光源的散热效率，或是让修整光型的光学镜片空间增大，提升产品的使用满意度。

　　LED这种半导体元件，自问世以来，多数是作为指示灯、显示板用途，目前为了发展日常照明应用，也逐渐发展出高功率、高亮度的LED元件技术，伴随着因应提高亮度与能源应用效能的需求，周边技术的发展也持续提升，例如，高效能的AC-DC转换、LED驱动电路、温控电路等，与提升整体散热效率的组装构型与设计，都已经将LED固态光源推向可以取代传统光源的技术水准! LED目前已可作为光源使用，不但能达到高效率直接将电能转化为光能，并拥有长达数万小时的使用寿命，维护成本相对较低，同时也具备超越传统灯泡易碎的强固特性，同时拥有环保、无汞、小体积、色域丰富等优点。