发光二极管(LED)由于发光原理的差异,明显异于一般灯具的发光技术,因此具备低能耗、省电、寿命长与耐用等优点,在各方强调“节能”的应用大前提下,LED用于取代传统光源的应用方式,自然而然成为业者看好的发光技术,成为极具未来发展前景的照明光源。然而,LED为点状光源,其发光过程所产生的热源全部集中在单一点,而随着功率增加、LED所产生废热无法有效散出,将导致发光效率下降,改善散热效率为发展生活照明应用的重要关键。
LED使用寿命一般定义为当LED发光效率低于70%,即可视为LED寿命达到更换的程度,一般LED的发光效率会随使用时间增长与应用次数增多而持续降低,至于过高组件与接面温度,也会加速LED发光效率衰减。
为达到提升发光效能,常见也有将多晶粒置于单LED组件的制作方式,更考验其散热设计
LED芯片技术日益成熟,观察单一LED的芯片输入功率,目前已可达5W或更高状态,虽说如此毕竟应用温度过高也会加速产品老化,一般的作法是透过主、被动冷却手段,防止LED工作温度持续增高,若不能有效将芯片接面与本体的热散出,组件本身所产生热效应会变得越来越显著,即先前提到的加速组件衰竭、减少寿命的使用问题,当接面温度升高也会影响芯片产生亮度,温度升高也会使发射光谱产生红移、色温品质下降。
LED的p-n接面温度 影响发光效果甚巨
当LED发光二极管的p-n接面,温度(Junction Temperature)达25℃的典型工作温度时,此时LED的亮度定义为100,若温度升高至75℃状态,亮度会持续递减至80,若持续加温至组件至125℃,发光亮度可能仅达到60以下!接面温度与发光亮度呈反比线性关系相当明确。
接面温度除影响照明品质,组件的高温也会对使用寿命产生极大影响,一般而言,温度与亮度的相关性为线性递减,但相对于“寿命”,其影响却是呈现指数递减状态,影响的层面更为显著。
同样采接面温度为分析比较的基础,若组件持续40~50℃则LED可达到20,000小时运作寿命,若组件温度为60~75℃测试结果会仅剩10,000小时使用寿命,再将组件的环境与接面温度提升至100℃以上,组件寿命会仅剩5,000小时!组件与环境温度会大幅影响LED使用寿命的结果相当显著。
针对LED发热单点进行高效散热
即便LED本身在中、低功率应用,整体的发热问题不大,但若自组件的尺寸去算算发热量,会发现LED工作中所产生的热量,相较众传统光源的发热问题,并不遑多让。一般而言,组件的热传递路径主要可分为三种型态,分别为 热辐射传递(radiation heat transfer)、热传导传递(conduction heat transfer)、热对流传递(convection heat transfer),LED在三种热传导方式作用方式差异相当大,可从空气中散逸或直接由基板导出、或经由金线传导热能。
LED各部位热流量所占比例,其中以铝基板(MCPCB)和电极引脚(Lead)所占热流比例最大,由于LED接面温度较其它光源温度低许多,故热能无法以辐射模式与光一同射出去,所以LED有大约90%之多余热以热传导方式向外扩散,在高电流强度作用下,LED芯片接面温度升高,需要有良好的LED 封装及模块设计,来提供LED适当热传导途径,以降低接面温度。
不过,虽然知道LED高度依赖传导散热,但LED的封装等特性也让传导成了散热的大瓶颈,如何克服是许多专家研究的重要目标,如根据「Thermal Analysis of Filp-Chip Packaged 280nm Nitride-Based Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes」仿真分析之结果显示,散热的瓶颈确实在于LED接面面积,LED接面面积过小,相对其接面热通量变相当大,则以热传导为主的LED封装体较不易迅速地将热导出。
使用高散热性基板 散热效果好但成本高
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