LED固態光源的散熱改善方式

　　LED固態光源的運作溫度如何有效散逸，會影響整個光源應用的照明效能、能源利用效能、裝置壽命等重要關鍵，而改善散熱的方式可自晶片層級的技術、封裝LED晶粒的技術、電路板層級的技術去進行改善。

　　在晶片層級的散熱處理手段方面，由于傳統的晶片制法，多以藍寶石作為基板進行設計，而藍寶石基板的熱傳導系數接近20W/mK，其實很難將LED磊晶產生的熱快速散出，目前主流的作法，在針對LED晶片級的散熱強化處理，尤其是針對高功率、高亮度的LED元件方面，為使用覆晶(Flip-Chip)的形式，有效利用覆晶將磊晶的熱傳導出來。

　　另也有一種方式，是采行“垂直”電極的方式去制作LED元件，由于LED元件上下兩端都設有金屬電極，此可在散熱的問題上得到更大的助益。 例如，采用GaN基板作為材料，由于GaN基板即為導電材質，因此電極可以直接做在基板下方進行連接，即可得到快速散逸磊晶溫度的效益，但這種作法因為材料成本較高，也會比傳統藍寶石基板作法的成本貴上許多，會增加元件的制作成本。

　　至于封裝層級的散熱強化作法則相當多，此處列舉幾個常見的作法。 一般而言，LED制作過程，會利用光學等級的環氧樹脂來包住整個LED，借此來使得LED元件能在機械強度方面的表現更佳，甚至也可保護元件內的相關線路，但環氧樹脂的作法雖可提升元件強度，卻同時限制了元件的溫度操作范圍，因為光學級的環氧樹脂于高溫下使用時，會因為高溫或是強光，讓環氧樹脂的光學特性劣化，甚至材質本身也會造成劣化。

　　圖6：亮度強化的燈具，局部高溫問題也會加劇，必須搭配更強力的主動散熱技術因應。

　　目前常見的封裝改善方式，僅有在多數中/低功率的LED元件才使用傳統的炮彈式封裝技術，在高亮度、高功率的LED元件方面，多數改用Lumileds Luxeon系列封裝法，將散熱路徑集中于下方的金屬，內部的封裝改用光學特性和耐高溫、耐強光表現較優異的矽樹脂去進行封裝，此封裝法可獲得較佳的機械強度表現，同時其內部對高溫、紫外線照射、高強度藍光LED有更強大的耐受能力。

　　在電路板層級的散熱改善方面，比較一般的作法即采FR4(PCB)制作，熱傳導性能中上表現的會采取金屬基PCB，如MCPCB、Integrated Metal Substrate(IMS)處理，進階高效能熱傳導能力的會采取陶瓷基板(Ceramic)去制作。

　　一般FR4(PCB)具備低成本優勢，但導熱效能相對較差，多用于低功率的LED裝載方面。 金屬基PCB(MCPCB、IMS)由于操作溫度高，例如MCPCB結構由銅箔層、絕緣(介電)層、鋁基板構成，一般銅箔層(電路)為1.0~4.0盎司、絕緣(介電)層為7.5um~150um、鋁基板(金屬核心)層厚度在1mm~3.2mm左右厚度，可用在攝氏140度環境下，但制作成本為中高價位。 陶瓷基板(Ceramic)的單價與成本更高，因為陶瓷的熱膨脹系數表現佳，可讓乘載的晶片更為匹配，但無法用在大面積的電路，對于LED光源應用方面，多數僅用于承載LED元件的區塊電路使用，來提升熱傳導效率。

　　除前述常見乘載的電路板外，其實還有多款相對具較佳熱傳導技術的基板技術，例如陶瓷基板(氧化鋁)、鋁鎂合金、軟式印刷電路板、直接鋼接合基板(DBC)、金屬基復合材料基板等技術，但部分技術仍有制程、裝載或是成本方面的考量，必須視最終成品的實際熱流模型限制與改善幅度是否值得更換載板而定。

　　外觀機殼、構型限制與模組化線路設計

　　LED固態光源，因應實際應用的需求，因為裝設現場不會有DC直流電源，而多半替代傳統光源的設置環境又只有AC交流電源，為了讓LED固態光源可以達到便利替換的裝設方式，相關設計就必須朝向整合電源轉換電路或是發展AC LED方向設計，但實際上，AC LED的發展成本仍高，而相關產品的現況仍待觀察，因此，現階段朝整合電源轉換的設計方式較為可行。

　　多數裝設環境，若是為取代原有白熾燈的設計方式，則會有相當大的技術挑戰! 因為白熾燈的體積小，LED固態光源必須整合驅動電路、電源轉換電路、溫度感測電路與主動散熱電路，如此一來，在相對電路密集空間有限的產品構型，第一個要面對的就是散熱設計。

　　目前燈泡型的LED固態光源設計，電路多采模組化設計，為了簡化電路設計，目前也有相關電源晶片業者推出整合LED燈泡電路設計專屬的電源、溫控、電源轉換、主動散熱驅動電路的解決方案，目前尚未有單晶片解決方案，但已把繁復電路與多樣離散數位/類比元件整合至數顆積體電路解決，讓燈泡型的LED固態光源設計不會受空間限制而必須采取折衷或是讓產品失去替代傳統光源的設計限制。

　　以燈泡型的設計為例，在燈泡接座大量采鋁擠構型機構設計，此舉可讓內部電路與LED產生的熱，透過燈泡本體的鋁擠機構進行散熱，而采取模組化搭配晶片解決方案，讓內部線路大幅簡化，也減少內部溫度傳導的熱阻問題，搭配主動式散熱機制利用小型化風扇強制氣冷散熱處理，解決小型化LED燈泡的設計開發需求。

　　另一種常見的嵌入式燈具，也是LED固態光源積極搶進的產品線，因為嵌入式燈具(嵌燈)，常見設計是采用鹵素燈泡為光源，此為高熱、低效率、高成本的無效率光源，但為了基于裝潢美化環境的需求，又是許多室內設計相當常見的應用光源，雖然也有采取螢光燈式的嵌燈設計，但螢光燈式會有體積較大的問題，部分室內環境氣氛營造的光源，并不會使用這類光源。 回到LED固態光源取代這類室內嵌燈的設計應用方面，與燈泡型LED固態光源一樣，嵌燈的構型設計挑戰更嚴苛，因為嵌燈多數需求為柔和光線，點狀光源的LED發光方式，必須利用光學透鏡去改善光源特性，此會造成體積上的增加，雖然有些產品采取利用封裝技術去改善光型，但大體上能修整光線型態的程度有限。

　　另外，嵌燈的體積限制更多，加上多半是設置于裝潢天花板、夾層、木作之中，嵌燈對于散熱的要求更高，才能得到較佳的應用安全性。 嵌入式燈具LED光源設計，由于燈具的裝設以配合裝潢為主，在設計方面反而可以做到分散式的功能設計，例如，將電源電路與嵌燈本體分離開發，這可以讓電源轉換電路不會成為嵌燈模組內的熱流模型熱阻一環，讓光源本身僅需設置驅動電路與主動散熱相關電路，可有效縮小產品體積，或增加散熱機殼、散熱元件的設置空間，提升整個光源的散熱效率，或是讓修整光型的光學鏡片空間增大，提升產品的使用滿意度。

　　LED這種半導體元件，自問世以來，多數是作為指示燈、顯示板用途，目前為了發展日常照明應用，也逐漸發展出高功率、高亮度的LED元件技術，伴隨著因應提高亮度與能源應用效能的需求，周邊技術的發展也持續提升，例如，高效能的AC-DC轉換、LED驅動電路、溫控電路等，與提升整體散熱效率的組裝構型與設計，都已經將LED固態光源推向可以取代傳統光源的技術水準! LED目前已可作為光源使用，不但能達到高效率直接將電能轉化為光能，并擁有長達數萬小時的使用壽命，維護成本相對較低，同時也具備超越傳統燈泡易碎的強固特性，同時擁有環保、無汞、小體積、色域豐富等優點。