LED環(huán)保光源生活化應(yīng)用與路燈設(shè)計(jì)技術(shù)關(guān)鍵分析

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LED光源就是發(fā)光二極管（LED）為發(fā)光體的光源。發(fā)光二極管發(fā)明于20世紀(jì)60年代，在隨后的數(shù)十年中，其基本用途是作為收錄機(jī)等電子設(shè)備的指示燈。這種燈泡具有效率高、壽命長的特點(diǎn)，可連續(xù)使用10萬小時，比普通白熾燈泡長100倍?？茖W(xué)家預(yù)測，在未來5年，這種燈泡很可能成為下一代照明的主流產(chǎn)品。LED的發(fā)光原理與白熾燈和氣體放電燈的發(fā)光原理都不同，LED光源的能量轉(zhuǎn)化效率非常高，理論上可以達(dá)到白熾燈10%的能耗，LED相比熒光燈也可以達(dá)到50%的節(jié)能效果。節(jié)能效果顯著，這對能源十分緊張的中國來說，無疑具有十分重要的意義。LED還可以與太陽能電池結(jié)合起來應(yīng)用，節(jié)能又環(huán)保。其本身不含有毒有害物質(zhì)（如：汞），避免了熒光燈管破裂溢出汞的二次污染，同時又沒有干擾輻射。

目前，涉足白光LED的照明產(chǎn)品（如本文探討的半導(dǎo)體環(huán)保節(jié)能臺燈）的企業(yè)基本上處于產(chǎn)品的研發(fā)和試產(chǎn)的階段。我們與國外企業(yè)的差距并不大，只要從現(xiàn)在開始抓緊，我們在半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域就一定能夠有所作為，這對我國照明傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)型和提升照明產(chǎn)品的國際競爭力有迫切而實(shí)際的意義。LED照明燈具包括半導(dǎo)體環(huán)保節(jié)能臺燈，從技術(shù)領(lǐng)域來看，也處于研發(fā)及小批量生產(chǎn)狀態(tài)。LED照明燈的技術(shù)水平，國際水平和國內(nèi)水平相差不大，基本可以說國內(nèi)及臺灣的發(fā)展水平略處于國際水平，因?yàn)長ED照明燈的生產(chǎn)居于勞動密集型產(chǎn)品，在我國珠江三角洲地區(qū)正擁有世界上豐富的燈具配套市場，因此擁有較好的技術(shù)基礎(chǔ)。

LED特性顯著優(yōu)于白熾燈、高壓納燈

與傳統(tǒng)的照明工具相比，LED照明工具，特別是GaN基白光LED照明，在功耗及壽命方面均有不可比擬的優(yōu)越性。傳統(tǒng)白熾燈采用熱發(fā)光技術(shù)，浪費(fèi)了90%的能源，而發(fā)光二極管的效能轉(zhuǎn)換率卻非常高。由于半導(dǎo)體照明具有節(jié)能、長壽命、免維護(hù)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，如同晶體管替代電子管一樣，半導(dǎo)體燈替代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈也是大勢所趨；半導(dǎo)體LED越來越被認(rèn)同是綠色照明的理想光源。

相對的，原本多用于指示型光源的LED產(chǎn)品，近年在磊晶、封裝、散熱設(shè)計(jì)、驅(qū)動技術(shù)持續(xù)發(fā)展，目前已成為可與傳統(tǒng)光源一較長短的新興未來光源技術(shù)！而LED為全新型態(tài)的發(fā)光源，若與傳統(tǒng)白熾燈進(jìn)行比較，則有相當(dāng)多明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

●LED光源具備環(huán)保優(yōu)勢

正因?yàn)長ED發(fā)光元件本身即為全固態(tài)發(fā)光元件，因此元件本身具耐沖擊、不易碎優(yōu)勢，而LED廢棄物亦可資源回收，至于LED生產(chǎn)過程亦不需使用具污染疑慮氮化物、二氧化硫等有害氣體，可改善溫室氣體在生產(chǎn)或使用中產(chǎn)生，改善我們的居住生活環(huán)境。

●LED光源耗電量極低

LED單個發(fā)光元件的消耗功率僅0.03~0.06W,而LED為采DC直流方式驅(qū)動，單元件的驅(qū)動電壓多為1.5~3.5V之間，其驅(qū)動電流可在15~20mA,基本上在驅(qū)動的同時即可瞬間點(diǎn)亮元件。LED元件發(fā)光致能速度反映極快，同時可于高頻點(diǎn)滅間進(jìn)行運(yùn)作，如果以單顆白熾燈的耗能觀察，一個LED元件在發(fā)光時的耗能僅白熾燈泡的萬分之一，若比較40W的螢光燈管能耗，若LED要發(fā)出與40W螢光燈管的亮度，采取LED模塊取代僅需使用不到10W的能耗，就能發(fā)出相同的亮度。

●LED發(fā)光效率高

若以發(fā)光效率進(jìn)行不同光源特性比較，一般白熾燈、鹵素?zé)舻陌l(fā)光效率為每瓦可發(fā)出12~24流明、螢光燈為每瓦60~70流明、高壓鈉燈則為每瓦100~140流明，而多數(shù)發(fā)光過程產(chǎn)生的廢熱成為消耗能源的去處，而為了散熱或是因熱影響溫室效應(yīng)產(chǎn)生，都是使用傳統(tǒng)光源的不良影響。觀察LED的發(fā)光效率會發(fā)現(xiàn)，依不同設(shè)計(jì)方式，目前每瓦可以產(chǎn)生50~200流明的發(fā)光效能。

●LED光源為較安全的光源

LED光源具備燈具之發(fā)熱量較低，光源亦無熱輻射性，燈具本身可觸摸，同時LED為點(diǎn)光源，可以搭配PCB板或軟板設(shè)計(jì)讓燈具可發(fā)展為任意造型，設(shè)計(jì)者可以控制光形設(shè)計(jì)或發(fā)光角度，利用不同元件可以調(diào)配所需的光色，同時LED元件可不含汞、鈉等可能危害健康的不良物質(zhì)。

●LED光源具壽命長效益

觀察常用傳統(tǒng)光源會發(fā)現(xiàn)，如白熾燈、螢光燈、鹵素?zé)簦捎诓捎秒娮庸鈭鲆暂椛浞绞竭M(jìn)行發(fā)光，而這類燈具會發(fā)生燈絲易燒熔、燈具內(nèi)產(chǎn)生熱沉積、元件長時間使用呈現(xiàn)光衰減等限制，若改用LED則有相當(dāng)多的優(yōu)勢，例如燈體本身的體積可以相對較小、重量輕，以環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝還可具備高沖擊、耐震動的使用要求，元件的平均壽命可達(dá)10萬小時，多數(shù)LED燈具在設(shè)計(jì)方面可達(dá)到保用壽命達(dá)5年以上，降低建筑或生活照明燈具的維護(hù)成本。

而目前用量較多的屬「白光」產(chǎn)品為多，以市售白光LED作法相當(dāng)多元，大致能匯整三種制作方式，例如，可利用三原色生產(chǎn)高亮度的白光LED產(chǎn)品，例如將藍(lán)、綠、紅三色高亮度LED進(jìn)行0.38/2/1比例調(diào)配混光，即可產(chǎn)生幾近完美的白光效果。另一種作法是利用高亮度的藍(lán)光LED為基礎(chǔ)，例如采InGen制作的方式，搭配不同的螢光粉配方進(jìn)行透明塑料封裝，如此一來藍(lán)光搭配不同螢光粉設(shè)計(jì)，即解決白光的發(fā)光需求。至于「節(jié)能」，即是促使用戶大量采行LED發(fā)光源的關(guān)鍵原因，而這也是大量路燈采行LED發(fā)光源設(shè)計(jì)的重點(diǎn)效益。

LED取代傳統(tǒng)光源必須突破的技術(shù)限制

LED由于發(fā)光原理異于傳統(tǒng)光源，因此具備低能耗、省電、壽命長與耐用等優(yōu)點(diǎn)，但在各方強(qiáng)調(diào)「節(jié)能」的應(yīng)用前提下，LED用于取代傳統(tǒng)光源成為相關(guān)業(yè)者看好的光源技術(shù)，然而，LED為點(diǎn)狀光源，發(fā)光過程所產(chǎn)生的熱源多數(shù)集中在單點(diǎn)，加上隨元件功率（發(fā)光效率）增加、LED元件產(chǎn)生熱處理設(shè)計(jì)，自然成為技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵限制，而熱處理沒做好也將導(dǎo)致發(fā)光效率低落或提早使元件出現(xiàn)光衰問題。

一般定義當(dāng)LED發(fā)光效率低于原有效率的70%以下，即可視為LED壽命達(dá)到必須更換的程度，一般LED的發(fā)光效率會隨使用時間增加、應(yīng)用次數(shù)提升而降低，而過高的元件與接面溫度也會加速LED發(fā)光效率降低。

LED芯片技術(shù)日益成熟，單一芯片輸入功率亦不斷提升，但此舉雖能有效提升發(fā)光效率與單位元件的亮度表現(xiàn)，但元件溫度過高也會加速產(chǎn)品老化。一般的設(shè)計(jì)作法是透過主、被動冷卻手段來防止LED工作溫度持續(xù)飆高，若無法有效將芯片接面與燈具本體產(chǎn)生的熱源處理掉，所產(chǎn)生熱效應(yīng)將會變得顯著，即加速元件衰竭、減少壽命，溫度升高也會使發(fā)射光譜產(chǎn)生紅移、色溫質(zhì)量下降。

當(dāng)LED發(fā)光二極管p-n接面溫度（JunctionTemperature）達(dá)25℃的典型工作溫度時，此時LED的亮度定義為100,若溫度升高至75℃狀態(tài)，亮度會持續(xù)遞減至80,若持續(xù)加溫至元件至125℃，發(fā)光亮度可能僅達(dá)到60以下！接面溫度與發(fā)光亮度呈反比線性關(guān)系相當(dāng)明確。接面溫度除影響照明質(zhì)量，元件高溫也對使用壽命產(chǎn)生影響。

針對LED元件特性的高效散熱手段

LED元件熱傳遞路徑可分為三種型態(tài)，分別為熱輻射傳遞（Radiationheattransfer）、熱傳導(dǎo)傳遞（Conductionheattransfer）、熱對流傳遞（Convectionheattransfer），LED在三種熱傳導(dǎo)方式作用方式差異相當(dāng)大，可從空氣中散逸或直接由基板導(dǎo)出、或經(jīng)由金線傳導(dǎo)熱能。而LED各部位熱流量所占比例，以鋁基板（MCPCB）和電極引腳（Lead），的熱流占比，由于LED接面溫度較其它光源溫度低許多，因此，熱能無法透過輻射模式散逸，加上為求高亮度采取高電流驅(qū)動會間接使LED芯片接面溫度提升，系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)必須考量良好的LED封裝及模塊設(shè)計(jì)，做到為LED元件提供適當(dāng)熱傳導(dǎo)途徑，降低p-n接面溫度。

應(yīng)用高散熱性基板強(qiáng)化散熱

LED散熱處理設(shè)計(jì)，可自LED晶粒與元件載板下手，進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)改善，實(shí)務(wù)設(shè)計(jì)中，承載LED晶粒載板屬于LED封裝制程可加強(qiáng)技術(shù)改善的重點(diǎn)，但LED元件與PCB電路基板的散熱設(shè)計(jì)，一般為模塊廠商的散熱改善設(shè)計(jì)關(guān)鍵。常見采AlN、SiC、BeO絕緣材料材質(zhì)設(shè)計(jì)陶瓷基板，因材料本身具備絕緣特性，減省絕緣層工序處理，陶瓷基板另具備多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，例如，可承受電壓、擊穿電壓（Break-downvoltage）較高、熱膨脹系數(shù)匹配表現(xiàn)，制成元件具備低熱應(yīng)力、熱變形優(yōu)點(diǎn)，但關(guān)鍵問題仍在成本過高。

而LED常見基板散熱的設(shè)計(jì)方式相當(dāng)多，傳統(tǒng)的方式為采金屬基板（MCPCB）設(shè)計(jì)。金屬基板多以銅（Cu）、鋁（Al）為材料，可分金屬基材（metalbase）、金屬蕊（metalcore），至于金屬基板制程還必須多許多絕緣工序，這也是成本居高不下的問題。單價較高的覆銅陶瓷基板（DBC）多用于高單價產(chǎn)品，覆銅陶瓷基板DBC的原理是將銅箔材質(zhì)，直接透過制程將之燒結(jié)至陶瓷表面處，讓基材形成的一種復(fù)合型態(tài)的基板形式。至于PCB及金屬基板MCPCB,為可使用于一般LED元件應(yīng)用的產(chǎn)品。

利用封裝方式設(shè)計(jì)改善散熱

LED不同封裝方式，對于散熱效率也有極大影響，以SiC、Sapphire不同封裝芯片進(jìn)行熱分析，如果采不同封裝的芯片發(fā)熱量一致，SiC封裝方式芯片溫度會呈現(xiàn)較均勻的分布狀態(tài)、接面溫度也相對較低，此與SiC具較高熱傳導(dǎo)系數(shù)有關(guān)。LED元件本身散熱設(shè)計(jì)，還有多個可控制變因，例如，LED介電層厚度、電路層厚度、焊錫厚度與環(huán)境溫度等。

LED除了考慮芯片溫度之外，仍需考慮以熱阻大小（熱量傳遞至每個傳輸介質(zhì)，在介質(zhì)兩側(cè)所產(chǎn)生之溫差，除以發(fā)熱瓦數(shù)，即可求出熱阻值，熱阻的定義就類似電阻一樣）來判斷散熱效率的好壞，在LED散熱設(shè)計(jì)時，需降低LED整體封裝熱阻值確保元件能穩(wěn)定運(yùn)作。

LED光源的路燈應(yīng)用市場

路燈是城市照明的重要組成部分，傳統(tǒng)的路燈常采用高壓鈉燈，高壓鈉燈360度發(fā)光，光損失大的缺點(diǎn)造成了能源的巨大浪費(fèi)。當(dāng)前，的環(huán)境在日益惡化，各國都在發(fā)展清潔能源。而隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速增長，我國能源供需矛盾日漸突出，電力供應(yīng)開始存在著嚴(yán)重短缺的局面，節(jié)能是目前所急需解決的問題。因此，開發(fā)新型高效、節(jié)能、壽命長、顯色指數(shù)高、環(huán)保的LED路燈對城市照明節(jié)能具有十分重要的意義。道路照明與人們生產(chǎn)生活密切相關(guān)，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，LED路燈以定向發(fā)光、功率消耗低、驅(qū)動特性好、響應(yīng)速度快、抗震能力高、使用壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)勢逐漸走入人們的視野、成為目前世界上有替代傳統(tǒng)光源優(yōu)勢的新一代節(jié)能光源，因此，LED路燈將成為道路照明節(jié)能改造的選擇。

LED路燈用途可以說是讓LED照明光源用量激增的關(guān)鍵應(yīng)用，觀察目前臺灣LED路燈的國家標(biāo)準(zhǔn)（LED路燈照明標(biāo)準(zhǔn)CNS15233）在2022年底公告，大陸的路燈標(biāo)準(zhǔn)原本采取由各省份（地區(qū)）統(tǒng)一公布方式施行，這將導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)品的性能測試會出現(xiàn)差異，影響LED的良性發(fā)展。

而大陸的全國性的LED路燈標(biāo)準(zhǔn)，會使LED路燈產(chǎn)品在質(zhì)量驗(yàn)證方面更有依據(jù)，并提供一個評估的基準(zhǔn)。歐、美地區(qū)的LED標(biāo)準(zhǔn)，同樣會將標(biāo)準(zhǔn)聚焦在LED光源的光角度、光質(zhì)量與光衰多項(xiàng)要求。

在整體LED路燈設(shè)置中，電源供應(yīng)器為相當(dāng)關(guān)鍵的元件，因?yàn)槟壳岸鄶?shù)LED元件仍屬于DC直流驅(qū)動方式，這表示若要點(diǎn)亮路燈，必須經(jīng)過將AC交流轉(zhuǎn)換為DC直流驅(qū)動的程序，而能源轉(zhuǎn)換的過程就無法避免產(chǎn)生轉(zhuǎn)換損失，基本上要使LED路燈的運(yùn)作表現(xiàn)達(dá)到更好的節(jié)能效益，在能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)就必須達(dá)到高轉(zhuǎn)換效率、低轉(zhuǎn)換損失的設(shè)計(jì)，這會讓LED路燈的BOM成本增加。

因應(yīng)路燈設(shè)施將銷售到各國的設(shè)置需求，這代表電源供應(yīng)器裝置本身即必須因應(yīng)各國安規(guī)規(guī)范，而觀察目前實(shí)驗(yàn)設(shè)置的LED路燈設(shè)施的使用現(xiàn)況發(fā)現(xiàn)，多數(shù)LED路燈故障的主因大都源自電源供應(yīng)電路失效或運(yùn)作穩(wěn)定度造成，尤其是路燈為設(shè)置在戶外惡劣環(huán)境條件，更考驗(yàn)著電源供應(yīng)電路的運(yùn)作穩(wěn)定性與抗候、抗環(huán)境溫差設(shè)計(jì)。

LED路燈散熱處理、光形為產(chǎn)品表現(xiàn)關(guān)鍵

LED雖具備低熱發(fā)光，但實(shí)際上點(diǎn)狀光源的LED會讓點(diǎn)亮過程產(chǎn)生的熱源，過度集中在元件的單點(diǎn)上！這代表LED燈具必須搭配更高效能的散熱處理設(shè)計(jì)，才能因應(yīng)路燈的散熱要求，讓LED發(fā)光元件不會因?yàn)樯岵涣甲屵\(yùn)作出現(xiàn)不穩(wěn)定，或設(shè)施提早出現(xiàn)光衰問題。

常見的LED路燈散熱設(shè)計(jì)，多數(shù)會采取鋁擠型散熱器方式設(shè)置，或搭配鰭片型散熱器，或在裝置內(nèi)部的熱源產(chǎn)生重點(diǎn)位置，搭配熱導(dǎo)管甚至風(fēng)扇主動式散熱機(jī)制。

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