LED照明效率與散熱設計

台灣大學電機系教授黃建璋。

台灣大學(NTU)電機系教授黃建璋先生，以「LED照明效率與散熱設計」做專題演說，主題包括高亮度LED設計及技術發展概述、高亮度LED晶片特性(光熱轉換、半導體結點溫度)、LED晶片設計與熱量表現、LED晶片封裝技術、LED散熱設計考量等。

現在LED的應用很多，大多數的高功率LED，都是應用在於戶外資訊看板，仍無顯著地滲透到一般照明應用市場。在交通號誌燈部份，傳統都是配置很多LED燈，在光效提升後，LED燈開始逐漸減少，甚至可以用光導管讓一個LED出現在多個點上面，形成另一種方式的光學設計。

多種LED封裝設計  結構會影響散熱

當今LED封裝有很多種類，以最常見的「砲彈式」LED燈來說，其散熱效果最差(其實完全沒考慮到散熱)，其他大型封裝中，像3-pin設計的，其中1-pin就是拿來做散熱用的，其中不乏有用到銅或鋁來做導熱材質的。

現在一般照明要放入10W或15W燈泡，必須考慮到熱的問題。從美國能源局(DOE)預估的LED趨勢來看，LED製程中，在晶片+製程+燈具的成本比重，就高達將近40%。不過到了2020年，成本比重中，有30幾%將會用在散熱處理、二次光學設計上。

以高亮度LED的設計來看，就有4種AlInGaP的LED設計：吸收式基板(AS) LED、穿透式機板(TS) LED、高功率LED搭配5個TS層透光、TIP(Truncated Inverted Pyramid；倒金字塔形) LED搭配1.5個高功率方形晶片來透光。

而OSRAM的薄板概念中，也有透過減少內部吸收(層數更薄)、更多反射鏡片(採鏡面材質設計)、遍歷角分佈(表面材質)等作法，讓光子有更多管道來找到逃出去的路徑。

黃建璋簡介LED的封裝種類，主要有DIP(Dual In-line Package；雙列直插封裝)、SMD(Surface Mount Device；表面黏著式)。而採用的電力也不同，例如傳統LED為20mA，高功率LED則是0.5W、1W、3W…，而光點數量，也有單點LED到多點LED設計(矩陣式LED)，而LED frame(LED支架)，則是將LED晶片貼上去。

從整體LED製程，從固晶→銲線→封膠→烘烤→切割→分bin→包裝來看，「光」是在晶片裡面產生的，但因折射係數等光學上等問題，使得部份光源無法穿透出來，而是會被限制在半導體材料裡面，因為逃不出去所以產生「熱」。因此必須把光「趕」出去，作法很多，例如以Flip-Chip(覆晶式封裝)，亮度與驅動電流便可再增加。

目前單顆白光LED的作法，通常是以藍光LED塗布黃色螢光粉。螢光粉基本的需求是要具備光吸收、光射出(轉換)、吸收？發射光譜、溫度？化學性穩定。而決定光的散射則是依據螢光粉末的顆粒大小、表面區域、形狀、光轉換效率因數(層厚度、顆粒狀)。若在常用的YAG螢光粉打上450nm的藍光，就會有藍色光的反應。

解決散熱問題  必須從封裝設計開始

日亞化(Nichia)的專利白光LED是以藍光LED，搭配黃色螢光粉而做成。在光譜圖中可以得知，Nichia透過調整螢光粉的關係來分bin，以做出偏白色的Day Light White(Cold White；冷白光)或偏黃色的 Warm White(暖白光)。其中白光的光效，都比其他顏色的LED還高。

至於LED的散熱問題，包含了：驅動電流能力(正常運作的驅動電流、最大驅動電流範圍)、熱阻抗(必須能從裝置上將熱取出)、節點溫度(正常工作？最大額定之節點溫度)、熱？冷因數(在一定溫度範圍下的光輸出變化)、光通量效率 (以25℃環境溫度與指定的驅動電流下測量)、光通維持率(長期在作業狀態下的預期光輸出效率)。

因此改善LED光效與散熱問題，必須從封裝的改良開始。他說明1962年世上出現第一顆LED，後來在1970年推出「砲彈式」LED(150？300K/W，Pmax？0.1W)，這些都只能拿來當指示燈，到了1994年Philips Lumileds推出SnapLED(50K/W，Pmax？0.2W至0.4W)，可當作大型指示燈，1998年Lumileds推出Luxeon(4-14K/W，Pmax？0.6W至5.0W)，成為今天的高亮度LED。

故LED架構上，要將熱源越接近散熱板越好，散熱才快；選擇矽基板當導熱材料，是不錯的選擇，且可以把其他Diode與保護層一併放進去，成為當今LED散熱設計的常見作法。

由於熱是從GaN晶片，透過散熱片散到空氣中，因此在做散熱設計時，必須將晶片阻抗、散熱阻抗與環境空氣熱阻抗等一併考量進去。此外也要考慮到散熱片材質的影響，單顆LED做到5W後，熱就散不走了，因此就要靠多顆LED串起來，提高光效。總之，散熱設計應考慮單位面積所產生的光能、熱能，找出瓶頸、將之最佳化，便能提升LED照明效率。