LED照明產(chǎn)品的散熱技術分析

LED 照明產(chǎn)品的散熱設計非常重要，關係到產(chǎn)品的品質及壽命。透過熱阻網(wǎng)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(fā)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(fā)展發(fā)光效率更高的產(chǎn)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(fā)熱量，希望能在2012 年前將發(fā)光效率提升至150lm/W ，而發(fā)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(chǎn)品。但這畢竟非一蹴可及，仍具有相當?shù)睦щy度。為了使LED 產(chǎn)品的發(fā)展及應用更為快速，相關的散熱技術仍需同步發(fā)展。由于人類對于生活品質的需求不斷提升，就如同IC 產(chǎn)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(chǎn)品設計中仍將佔有重要的地位。

節(jié)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(chǎn)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(jīng)濟增長點，拉動經(jīng)濟社會發(fā)展的新“引擎”。但由于產(chǎn)品品種多、技術難度大、各家企業(yè)的技術水平差異和評價方式不一等原因，導致部分地區(qū)也有不成功的案例，為此中國半導體照明網(wǎng)編輯連線了鑫源盛科技股份有限公司技術總監(jiān)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(yè)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(huán)保潮流之下，LED照明產(chǎn)業(yè)迅速興起，有許多科技公司投入此新興產(chǎn)業(yè)，但由于LED照明信賴性能標準未能實時訂定、妥為規(guī)范，導致個別產(chǎn)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(yè)主疑慮，也因此推遲產(chǎn)業(yè)發(fā)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(tǒng)的各項重要技術指針規(guī)格數(shù)據(jù)，供業(yè)界參考。”

　LED芯片與封裝組件發(fā)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(chǎn)突破發(fā)光效率100~120lm/W以上，超越傳統(tǒng)最高效率的HID光源(發(fā)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(guī)格與節(jié)能30~60%需求。

　LED發(fā)光效率、溫升與壽命規(guī)格關鍵技術指針部分，檢視CREE或Osram LED等業(yè)者所公布的數(shù)據(jù)，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(tǒng)熱傳散熱環(huán)境溫度關鍵技術指針部分，此類燈具系統(tǒng)工作溫度不得高于85-10=75℃；臺灣LED道路燈具規(guī)范CNS15233規(guī)定，耐久性試驗環(huán)境溫度為50℃，因此路燈散熱系統(tǒng)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(tǒng)溫升測試低達ΔT≦13℃，計算其熱阻值Tr=0.08℃/W，而多數(shù)業(yè)界廠商設計系統(tǒng)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(chǎn)品較其它廠商產(chǎn)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(tǒng)溫升仍能達成ΔT＝15℃，熱阻值Tr＝0.04℃/W。

　LED路燈系統(tǒng)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(chǎn)品，系統(tǒng)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(chǎn)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(shù)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(yè)級高信賴性冷氣機空調、計算機CPU等高階大功率產(chǎn)品所使用之主動強制散熱方法，高效率、軍規(guī)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?shù)脑c合理的機構設計，經(jīng)過測試燈具系統(tǒng)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(tǒng)可靠性、耐久性 環(huán)境適應性能測試指標部分，一般LED燈具產(chǎn)品設計均未考慮到落塵防護系統(tǒng)，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(fā)散，將可能產(chǎn)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(xiàn)有產(chǎn)品經(jīng)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(jié)能照明產(chǎn)業(yè)的從業(yè)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(tǒng)基礎硬理論為依歸，并非坊間所稱LED燈是冷光不發(fā)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(shù)據(jù)、理論做支撐、完善的系統(tǒng)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(jù)，這樣才不會一再發(fā)生光衰退貨阻礙產(chǎn)業(yè)發(fā)展的惡性循環(huán)，臺灣鑫源盛科技愿意與全世界同業(yè)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(tài)散熱等發(fā)明專利與數(shù)十項新型專利，共同攜手照亮全世界。