大流明LED街灯的新散热解决方案

中心议题：

• 大流明LED街灯的新散热解决方案

解决方案：

• 慎选散热基板材质及导热胶
• 倒装片和共晶可有效降低热阻
• 风扇散热
• 向下散热、强制散热及液态散热等新散热技术
• 散热模块漆料选择
• 提高LED转换效率

受限于技术，LED目前的转换效率仍为两成左右，也就是说有高达八成的电能会转换成热能，因此散热问题始终是LED照明面临的重要挑战。尤其LED发光热能是集中于小范围，因此在电力输入功率较大的路灯应用中，LED接口温度相当高，再加上路灯为长时间持续工作，热能的产生更为可观，因此若散热模块不能有效散热，LED街灯便会出现严重的光衰现象，导致使用寿命大幅缩短。随着中国大陆近年力推"十城万盏"半导体照明应用工程政策，LED街灯装设数量迅速增多，LED街灯光衰问题更为突显。

LED光衰现象和散热效能息息相关，为有效达成散热目的，相关业者纷纷循各种途径寻求解决之道。就整体的散热设计来看，散热基板材料与LED晶粒封装方式极为关键。首先，LED散热基板的运作方式为利用散热基板材料本身的热传导性，将热源从LED导出，而从LED散热途径来看，又可将LED散热基板细分为LED晶粒基板与系统电路板两大类，此两种散热基板分别承载着LED晶粒与LED芯片。其中，LED晶粒基板主要是作为将LED晶粒的热能传导至系统电路板的的媒介；系统电路板则是负责将热能传导至散热鳍片、外壳或大气中的材料。

慎选散热基板材质及导热胶

瑷司柏电子工程师游慧茹指出，在系统电路板散热这个部分，早期LED产品的系统电路板多以PCB为主，但随着LED街灯应用等高功率LED需求的增加，PCB材料的散热能力不足以应付，因此业界已发展出高热导系数铝基板（MCPCB），主要是利用金属材料散热较佳的特性达到高功率产品散热的目的。

除了散热基板的材料需要注意外，铝基板黏合使用的导热胶也必须慎选。冠品化学研发部副总经理叶圣伟博士指出，部分厂商以为导热胶膜或导热胶垫越厚越好，却忽略越厚则热阻越大。再者，导热胶膜或软质导热垫片并无法与基板真正密合，存在于贴合面的许多孔隙是另一种形式的热阻质。综合这些因素，散热导热的效率将有所降低，需用对导热胶才能降低热阻。

他指出，网印施工的软陶瓷导热胶为软质半液态，在网印机刮刀涂布于铝基板时，导热粒子会渗入基板表面的孔隙并予以填满，进而形成完全平整且无孔隙的平面，与LED晶粒载板黏合时会完全密合，如此就能减少热阻，热度可迅速被传导出去，LED晶粒环境温度随之降低，LED街灯的光衰现象自然得以延缓发生。他并强调，网印施工的软陶瓷导热胶具有延展性，在高温烘烤或回焊时，会随着铝基板的热胀冷缩一起变化，应力非常小，因此不会造成铝基板弯曲，甚至是爆板。

不过，游慧茹特别指出，尽管系统电路板能将LED芯片所产生的热有效散热至大气环境，但是首先是LED晶粒所产生的热能必需有效的从晶粒传导至系统电路板，否则，随着LED功率的提升，整体LED的散热瓶颈将出现在LED晶粒散热基板。目前市面上LED晶粒基板主要以陶瓷基板为主，依线路备制方法不同略可区分为厚膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷，以及薄膜陶瓷基板三种，其中薄膜陶瓷基板为相对较新的技术，可有效满足倒装片（Flip Chip）封装方式所要求的布线精确度与烧结收缩比例问题。

倒装片和共晶可有效降低热阻

上述倒装片封装方式为现阶段降低LED热阻的重要技术趋势。除能降低热阻外，倒装片封装LED拥有颜色与光一致性优势，而这是下游系统商采购LED的关键指标，因此吸引不少LED业者投入开发，包括Philips Lumileds、科锐、欧司朗光电半导体（OSRAM Opto Semiconductors）及美商旭明光电（SemiLEDs）。据了解，Philips Lumileds是采用金锡共融焊锡（AuSn Eutectic Solder）的方式，在假设该方案金锡覆盖面积达25%的情况下，热阻可达0.16℃/W.科锐、欧司朗光电半导体（OSRAM Opto Semiconductors）及美商旭明光电（SemiLEDs）则分别采用硅（Si）、铜（Cu）基板开发垂直式芯片。

Philips Lumileds台湾资深技术支持经理黄珩春强调，倒装片封装与传统绑晶封装制程所使用的机台不同，再加上设备投资金额偏高，以及缺乏专利技术，因此现阶段实际有能力出货的LED厂商寥寥可数。他并指出，Philips Lumileds已发表可实现挣脱分档藩篱（Freedom From Binning）理念的倒装片封装技术LED系列产品，结合该公司专有的薄型倒装片（TFFC）技术和Lumiramic荧光粉片技术，达成LED光与颜色的一致性。

另外，在降低LED晶粒热阻方面，值得注意的还有共晶（Die Bonding）技术的选择。根据大毅科技LED散热研发团队指出，现有的固晶方式主要有银胶固晶及共晶（Eutectic）焊接法两种，前者较常见但仅适用于低功率模块，共晶焊接法则不但可提高固晶强度及导热系数，还可配合倒装片技术将LED晶粒整体热阻下降到银胶制程的20-40%.

高亮度LED共晶制程多以8:2比例的金锡合金（Au-Sn Alloy）作为芯片底部焊料，再将芯片放置于镀有金或银的基板上，加热至共晶温度，使基板表面的金或银与金锡合金相互扩散，进而改变合金成份以提高融点，使共晶结构固化以达到固晶的目的，利用此方法所固晶的芯片推力远大于使用银胶固晶，因此应用于高功率LED时会有更佳的可靠度表现。

然而共晶技术的操作温度高达320℃，需特别考虑选用芯片、基板等材料耐热程度。此外，芯片下平整的金锡合金层只有3μm厚，所以除了共晶固晶机台需要有高位置精度外，另一重要固晶条件就是基板表面粗糙度（Ra）与高低差（PV）要低，针对这些需求，大毅科技已导入抛光技术，成功制造出适合共晶的散热陶瓷基板，以协助厂商封装出更加稳定的高功率LED产品。
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风扇散热具成本优势

接下来谈到LED街灯模块的散热，相关解决方案相当多元，可概分为散热鳍片、导热塑料壳、风扇、导热管、表面辐射散热处理及自然对流散热等。其中，又属散热片及高速风扇是最常见的处理方式。针对风扇散热方式，传祥微电机营销中心市场开发部项目经理王百韬表示，风扇在价格与性能上较具竞争力。他指出，传祥微电机几年前就已成功进入LED路灯市场，并应用在多起国际性路灯标案中，因此相关用技术已相当成熟。而除了精进驱动马达效能并改善风扇本身轴承的材质外，未来传祥将朝着高寿命、低噪音、高可靠度的研发方向前进。

不过，随着LED照明应用的光输出不断提高，导致热流密度不断增加，单位时间内需要冷却的热量也越来越大，而散热片及高速风扇等散热方案若要维持一贯的散热效率，势必要越做越大，并不适用于小空间应用，于是便给了其它散热方案的崛起空间，例如Nuventix采用Synthetic Jet原理制造的SynJet（合成喷气）产品。

新散热技术可快速大量散热

根据Nuventix所提供的资料指出，由Nuventix开发的SynJet组件采用基于空气的合成射流冷却新技术，该技术利用电磁执行器产生的湍气流脉冲，也就是通过强制对流换热的高效散热能力快速带走热量，可降低LED芯片的温度并缩减散热器的体积及重量。

另外，LED街灯制造业者鑫源盛科技（TTiC）则是采用超导热散热技术开发出向下散热、强制散热及液态散热三大技术，有效解决LED因散热而产生光衰的问题。其中，强制气冷方法是采用高信赖性动力气流风扇驱动，达成0.08℃/W超低热阻及50,000小时长寿命低光衰。液态冷却方法为采用灯体与散热结构分离方法，将热源导至外部环境。向下散热方法中的热交换散热结构为向下朝向地面，可完全避免落尘堆积导致毁损。

鑫源盛副董事长管新宁表示，在该公司的各种散热技术中，向下散热专利技术已广泛应用于LED街灯上，广受世界各国青睐，包括日本、欧美大国与开发中国家的政府单位皆前来采购下单。管新宁进一步说明，该向下散热专利技术可有效避免"落尘"的影响，进而降低LED街灯产品维修保养成本并延长产品寿命。管新宁强调，鑫源盛LED街灯已通过美国最具权威的产品安全检测和认证组织UL检测，并已完成全球专利产权布局，成功获得PCT143国专利优先权，确立产品设计的规格指针，并达成完善的产品可靠度、信赖性的实装妥善率统计。

鑫源盛在台湾能源局的示范案中，已成功安装超过两万盏LED街灯，此外在中国的道路工程更已安装超过三万盏的LED街灯。鑫源盛预估，该公司未来亚洲地区会有超过50%的成长率，全球将有超过70%的成长率。鑫源盛目前主攻公共工程与商业照明两大块，主力产品为S系列的LED街灯及P系列的LED投光灯，都以大瓦数应用为主。其最早安装的实绩至今已六年，截至目前没有任何故障维修，光衰值更小于3%,灯具效能表现相当优异。事实上，鑫源盛为台湾首家在2007年就通过政府验收合格的LED街灯厂商；并已在2010年底前通过多项安规及质量认证，包括UL、CE、CNS、C-Tick、PSE之检测及ISO 9001和ISO 14001的品质认证。

散热模块漆料攸关散热效果

最后，关于LED街灯的散热，还有一个较不为众人所讨论但颇为关键的部分，就是灯具散热模块外的烤漆。针对此，冠品化学研发部副总经理叶圣伟博士表示，LED街灯的使用环境为户外，会受到环境气候的干扰，为解决此问题，厂商或是以阳极处理保护LED街灯散热器外壳，或是加喷烤漆，以避免酸碱物质侵蚀。然而阳极处理寿命不长，日后会出现氧化变色的现象；烤漆保护成本则较低且保护效果也好，然而一般烤漆不具备散热功能，反而会将热能封锁在散热器内，导致LED发光功率降低，成为光衰的帮凶之一，而LED灯具软陶瓷散热漆正足以解决此问题。

LED灯具软陶瓷散热漆可直接喷涂于LED灯具外部，且适用于各种形状的散热结构，并可调整成不同色彩以因配合景观设计需求。叶圣伟指出，喷涂式散热漆内的软陶瓷粒子经由奈米化处理，粒子相当细微，不仅易于喷qiang操作，且能让同一涂布面积上的导热粒子多且密集，进而加大让温度挥发透散的面积，促使LED灯具的热能可迅速传导出去。

提升LED转换效率为根本之道

LED街灯散热方式多元，不过，解决光衰问题的最根本解决之道还在于提升LED芯片的转换效率，高压（HV）LED便是在此方面有所突破的新技术。晶元光电研发中心副总经理谢明勋指出，高压（HV）LED为新制程，是在单一芯片上置入LED矩阵，芯片上电流路径较短，因此可减少奥姆损失（Ohmic Loss），且具备更高的光抽出效率（Extraction Efficiency），所以可提高光电转换效率，进而降低散热需求。他表示该公司高压LED已打入飞利浦（Philips）LED照明的供应链。据了解，除晶元光电外，包括亿光电子、台达电、齐瀚、葳天、南亚光电、迪源光电与连展科技等LED封装、晶粒和灯具系统商已展开产品线、技术及市场部署。

业界估计，2020年LED转换效率可以提升至50%,届时LED的散热问题已解决大半，不过，在此之前，LED街灯的散热技术显然仍有许多发挥空间，毕竟，唯有降低温度，LED街灯产品的使用年限才得以增加，LED路灯始能进一步普及。