高亮度LED照明应用与散热设计

例如结合点、乘载晶粒的金属片、电路板与环境等，再检视串联阻抗的热迴路，试图去发现散热效率低下的问题癥结点。

　　再从模型去深入观察，可以发现，从晶粒的接合点到整个外部环境的散热过程，其实是由几个散热途径去加总而成，例如，晶粒与乘载金属片的材料特性、封装LED晶粒材料的光学树脂接触与电路板材料热阻特性、LED元件的表面接触或是介于散热用之铝挤型散热鳍片黏胶，乃至降温装置与空气间的组合等，构成整个热流的散热过程。LED固态光源的运作温度如何有效散逸，会影响整个光源应用的照明效能、能源利用效能、装置寿命等重要关键，而改善散热的方式可自晶片层级的技术、封装LED晶粒的技术、电路板层级的技术去进行改善。

　　在晶片层级的散热处理手段方面，由于传统的晶片製法，多以蓝宝石作为基板进行设计，而蓝宝石基板的热传导係数接近20W/mK，其实很难将LED磊晶产生的热快速散出，目前主流的作法，在针对LED晶片级的散热强化处理，尤其是针对高功率、高亮度的LED元件方面，为使用覆晶（Flip-Chip）的形式，有效利用覆晶将磊晶的热传导出来。

　　另也有一种方式，是採行「垂直」电极的方式去製作LED元件，由于LED元件上下两端都设有金属电极，此可在散热的问题上得到更大的助益。例如，採用 GaN基板作为材料，由于GaN基板即为导电材质，因此电极可以直接做在基板下方进行连接，即可得到快速散逸磊晶温度的效益，但这种作法因为材料成本较高，也会比传统蓝宝石基板作法的成本贵上许多，会增加元件的製作成本。

　　至于封装层级的散热强化作法则相当多，此处列举几个常见的作法。一般而言，LED製作过程，会利用光学等级的环氧树脂来包住整个LED，藉此来使得LED元件能在机械强度方面的表现更佳，甚至也可保护元件内的相关线路，但环氧树脂的作法虽可提升元件强度，却同时限制了元件的温度操作範围，因为光学级的环氧树脂于高温下使用时，会因为高温或是强光，让环氧树脂的光学特性劣化，甚至材质本身也会造成劣化。

　　目前常见的封装改善方式，仅有在多数中/低功率的LED元件才使用传统的砲弹式封装技术，在高亮度、高功率的LED元件方面，多数改用Lumileds Luxeon系列封装法，将散热路径集中于下方的金属，内部的封装改用光学特性和耐高温、耐强光表现较优异的硅树脂去进行封装，此封装法可获得较佳的机械强度表现，同时其内部对高温、紫外线照射、高强度蓝光LED有更强大的耐受能力。

　　在电路板层级的散热改善方面，比较一般的作法即採FR4（PCB）製作，热传导性能中上表现的会採取金属基PCB，如MCPCB、Integrated Metal Substrate（IMS）处理，进阶高效能热传导能力的会採取陶瓷基板（Ceramic）去製作。

　　一般FR4（PCB）具备低成本优势，但导热效能相对较差，多用于低功率的LED装载方面。金属基PCB（MCPCB、IMS）由于操作温度高，例如 MCPCB结构由铜箔层、绝缘（介电）层、铝基板构成，一般铜箔层（电路）为1.0~4.0盎司、绝缘（介电）层为7.5um~150um、铝基板（金属核心）层厚度在1mm~3.2mm左右厚度，可用在摄氏140度环境下，但製作成本为中高价位。陶瓷基板（Ceramic）的单价与成本更高，因为陶瓷的热膨胀係数表现佳，可让乘载的晶片更为匹配，但无法用在大面积的电路，对于LED光源应用方面，多数仅用于承载LED元件的区块电路使用，来提升热传导效率。

　　除前述常见乘载的电路板外，其实还有多款相对具较佳热传导技术的基板技术，例如陶瓷基板（氧化铝）、铝镁合金、软式印刷电路板、直接钢接合基板（DBC）、金属基复合材料基板等技术，但部分技术仍有製程、装载或是成本方面的考量，必须视最终成品的实际热流模型限制与改善幅度是否值得更换载板而定。

　　外观机壳、构型限制与模组化线路设计

　　LED 固态光源，因应实际应用的需求，因为装设现场不会有DC直流电源，而多半替代传统光源的设置环境又只有AC交流电源，为了让LED固态光源可以达到便利替换的装设方式，相关设计就必须朝向整合电源转换电路或是发展AC LED方向设计，但实际上，AC LED的发展成本仍高，而相关产品的现况仍待观察，因此，现阶段朝整合电源转换的设计方式较为可行。

　　多数装设环境，若是为取代塬有白炽灯的设计方式，则会有相当大的技术挑战！因为白炽灯的体积小，LED固态光源必须整合驱动电路、电源转换电路、温度感测电路与主动散热电路，如此一来，在相对电路密集空间有限的产品构型，第一个要面对的就是散热设计。

目前灯泡型的LED固态光源设计，电路多採模组化设计，为了简化电路设计