随着近一年来LED照明市场的不断升温，部分普通照明灯具和车用灯具对于大功率LED的需求日益突显。从制造流程来看，目前市场上所见的LED芯片最大尺寸均在1～2mm之间，单颗芯片所能承受的操作功率大多在1～2W的范围内，用这类芯片来做大功率LED的封装设计，则必须采用多颗芯片组合的方式来实现；再加上考虑到性价比因素，就有可能使用到中 功率芯片，通过串并联的电路整合，在封装中实现大功率设计。
针对这一主流的大功率LED开发理念，亿光电子工业股份有限公司研发处协理林治民指出，LED灯具的散热处理将面临来自多方面的挑战。“例如，在进行串并联电路设计时，由于绝缘的需要，在金属线路部分往往要求使用一些不导电、不导热的有机材料，同时单颗芯片承受大功率操作时节温较高，各个芯片间的间距应选择一个理想数值来避免局部过热，因此，对于整体灯具而言，散热方面需要使用较大的散热块以做降温之用。而在同步光学设计部分，也因为芯片需要避开热源而彼此分离，导致发光面积加大，造成光学收光不易，加大了光学组件的尺寸，从而影响到整体灯具的尺寸及物料成本。”
如何解决大功率LED的散热难题，已成为目前行业内厂商关注的一个焦点。大多数业内人士认为，应从LED垂直供应链上的各个环节加大研发的力度，无论是在LED芯片组件、固晶材料、基板等封装环节，还是在整体灯具的电源架构、主动散热处理等多个方面进行优化设计和选材，才能达到最佳的散热效果。
提高LED发光效率是根本
首先，提升LED芯片的发光效率、减少光耗损是根本所在。如果输入的电能大部分都可以转化为光，降低产热比例，这样一方面可以提高芯片本身的效率和减少发热之外，另一方面，对于荧光粉材料也有相同的提升效果，少产热就不怕热堆积影响效能。
台湾半导体照明(TSLC)股份有限公司研发处处长李承士 |
“目前LED芯片的封装方式大致上可分为水平式、垂直式与倒装封装三种，”台湾半导体照明股份有限公司(简称TSLC)研发处处长李承士说道，“水平式芯片由于以散热较差的蓝宝石当作基底，因此通常具有较高的热阻；垂直型芯片以高导热材料当基底，整体热阻比水平型芯片低；而倒装结构芯片将PN接口的热量直接往下传导到下方的基板，因此同样具有很好的散热效果。”他进一步指出，从实际应用来看，现阶段很多大功率COB应用仍然采用水平型芯片，只要将单颗芯片的尺寸缩小，就可以达到热量分散的目的，整体散热或热阻表现不会劣于垂直型芯片或倒装封装芯片。
亿光电子工业股份有限公司研发处协理林治民 |
作为全球首家以8英寸氮化铝基板进行全波段LED封装的厂商，TSLC以混合电路技术为基础，掌握了在陶瓷基板上做不同layout输出技术，除了标准封装组件产品外，还可提供代工与定制化服务。其中，TSLC通过采用8英寸芯片级透镜压铸技术，使得生产速度大幅提高(2,300颗/片)，质量稳定；另外利用氮化铝基板、芯片级共金技术和倒装封装技术(不用打线)，可令LED芯片提高15%的发光效率。
另一方面， 降低固晶工艺中产生的热阻也不容忽视。在常用的固晶材料中，目前还是以金锡合金的散热效果较佳，林治民表示：“使用高导热的金属材料取代以往的硅胶固晶胶或银胶固晶胶，可从材料特性上全面拉升热导系数，或者还可以考虑使用共金固晶技术，将固晶材料的厚度减少到5μm以下，通过减少距离来快速地将热导出。”但也有厂商表示，金锡合金的制作温度要比一般的银胶高很多，因此对于一些不耐高温的芯片会有所限制。
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本文下一页：高导热性陶瓷基板兴起
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高导热性陶瓷基板兴起
在解决了芯片本身的光效和固晶热阻之后，在LED封装端将面对散热处理的关键环节—支架和基板。由于考虑到电路配置，大多数LED封装设计在芯片与终端环境之间都使用的是有机绝缘材料，因而造成较大的热阻，导热效果不佳。目前，一些厂商开始尝试使用绝缘但具有高导热系数的散热基板，或者是直接让芯片固晶在高导热的金属材料上，而以跳线的方式做电路串并联，来改善大功率LED散热难的问题。
林治民介绍道，从目前的使用情况来看，大功率LED产品目前主要使用在指向性的LED单晶产品，以及多晶的COB产品当中，单晶产品多使用陶瓷基板，多晶COB一般使用陶瓷基板、或以铝或铜材料为底的MCPCB散热基板。
就不同材质散热基板的未来发展，他认为，陶瓷基板由于绝缘及高导热的特性，可作为SMT型组件的基板，也可作为COB产品的基板使用，在特别添加材料烧结后的陶瓷基板可以达到绝缘、高导热、高反射率的产品特性，但其缺点在于单价过高，并且陶瓷基板本身材料也较脆弱，因此在COB产品应用中，无法以螺丝直接锁件，需另外配合支架，也增加了额外的成本，因此，实现大量生产、降低成本，是陶瓷基板的唯一发展走向。另外，基于Cu/Al的MCPCB基板导热性能也相当不错，如果芯片电路分开设计的话，确实是一款不错的材料，还可以直接锁件，客户使用也较为方便，但如果要使用共金固晶制作技术来降低固晶段的热阻，则目前看来还无法在MCPCB板上执行，这将会是今后发展的一个瓶颈，因此，找到高导热性绝缘材料并且另做电路设计，应该是MCPCB系列散热基板的发展主轴。
亿光是全球前十大LED封装厂中唯一一间拥有多样封装系列的公司，据介绍，目前公司在其陶瓷封装的照明产品线上，以AlN的陶瓷基板(导热系数大于150w/mk)，搭配AuSn共金固晶方式来完成封装，可将固晶段的热阻降至1w/mk以下，同时基板的热阻可降至1w/mk以下，组件本身可操作至1.5A，且结温Tj最高可耐受至150℃。
对于常用的这几种散热基板，李承士同样表示：“陶瓷材料的优点是绝缘性高，不像MCPCB板需要额外的界电层作为下方金属材料的隔绝，在耐高电压等特性方面表现突出，同时配合高导热性陶瓷，整体散热表现优异。”此外，针对近期兴起的CSP芯片级封装技术，他补充道，由于其取消了第一层基板的使用，直接在芯片端做完封装，然后将封好的芯片封装整合到第二层基板，因而使得第二层基板的设计也需要配合芯片封装的大小与脚位。
以车用LED灯的开发为例，TSLC从一开始就考虑到汽车行驶中的高温特殊环境，采用高导热的氮化铝(AIN)基板封装技术，并以高导热的金锡合金作为固晶材料，将整体热阻降至最低，可在100度基板温度下长时间操作，且在1000mA电流下，光通量可以保持在1000流明以上，仅用一颗光源就可作为汽车头灯，大大方便了汽车头灯设计。同时，凭借多项自主专利技术以及中高功率灯珠及模块化设计，TSLC高度弹性化及定制化的生产能力可满足客户对于LED芯片的多种需求。
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优化选择驱动电源架构
除了LED封装环节之外，从整体灯具的角度出发，散热和防护已成为导致电源故障的两大因素，这与驱动芯片、电路架构都有着密切的联系。要降低LED电源的故障率，就必须在LED电源模组的开发过程中实际了解使用环境，制定出合理的LED驱动设计准则，并依此来验证产品。
聚积科技股份有限公司照明产品总监何宜睿 |
“应该以灯具整体为出发点来考虑电源设计，”聚积科技股份有限公司照明产品总监何宜睿说，“LED灯本身就是一个热源，不同的电源架构具有不同的转换效率差异，因而也会产生不同程度的热量。”举例来说，线性恒流电源与开关切换电源相比，两者最大的不同之处在于线性恒流可能会因为输入及输出条件的差异(如输入电压不稳定或LED正向电压飘移)，而在芯片部分出现不同程度的热堆积，对热的风险性也相应增高。但另一方面，线性恒流电源架构较简单，成本相对低廉，因此，在供电电压较为稳定的先进国家、且对产品可靠性要求未必太高的灯具中，采用这一电源架构不失为一种压低成本的理想方法；但对于那些强调高可靠性的商用产品来说，有时更注重的是组件的单点热度及整体效率，采用开关电源会较适合于这一类商用灯具的开发。
其次，目前市面上较大功率LED灯具产品的电源驱动芯片又可分为内置或不含MOSFET方案两种。在选择上，何宜睿提到，一些空间较受局限的灯具如果采用内置控制芯片整合MOSFET方案的驱动产品，会较易满足小型化电源设计的需求，但功率上有一定的限制，且控制电路与MOSFET开关散热会堆积在同一封装内；而如果灯具内部有足够的空间，则可以考虑采用外置MOSFET方案，适当地分散组件摆放位置也可以有效地帮助电源内部产生的热量不会过度地集中在某一区块。
此外，根据外部环境温度在驱动IC上增加热平衡调整功能也是时下厂商的一个开发重点。尽管大多数电源IC设计都配有过热关机功能，可在高温环境下关闭IC，实现保护IC的目的，但仍然无法保护LED驱动电路，因为在大多数情况下，当控制IC关闭时，工作温度仍远高于电解电容器的安全工作温度。为此，Dialog公司开发的内置过热保护(OTP)降额专利技术旨在监测密封SSL灯泡内的温度，通过配置的一个NTC电阻器，当灯泡内的温度达到预先设定的温度时，驱动IC将以细微步长逐渐降低进入LED的电流；当温度降下来后，它再无缝地恢复亮度，全程无需让灯泡停止工作。通过这种方式可最大限度地降低灯泡内的工作温度，避免超过电解电容器的额定温度，从而解决灯泡过热而造成产品寿命缩短的问题。
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主动散热设计不可小觑
最后，在灯具的主动散热设计上，同样也面临着产品加工工艺、组装难度、成本、环境适应性、通用性等几个方面带来的挑战，单点热源过高、散热器体积过大及重量太重、金属材料成本难以控制等是亟待厂商解决的几个主要问题。Nuventix是一家从事LED整灯主动散热技术开发的专业厂商，该公司亚太区应用技术支持工程师金海林表示：“LED整灯的散热设计难度更大，往往很难兼顾美观、体积和重量，以及散热性能等多个因素，很多情况下这几个因素也较易产生相互之间的矛盾。除了散热器本身要针对具体应用做设计优化外，对材料本身、生产工艺、机加工、表面处理等等都应做到全面的考量，另外，对于大功率的LED还应选用导热系数较高的导热界面材料，以利于热扩散和热传递。”
Nuventix从2005年开始主推的SynJet主动散热解决方案是一项基于空气的合成射流冷却新技术，目的是进一步加强被动散热系统的散热能力，改善换热效率，提高灯具所能支持的热流密度极限。据了解，该方案除了可用于室内灯具的系列产品之外，目前还推出了专门针对户外灯具、满足IP56防灰/防水的系列产品，并已广泛应用于欧美一些路灯项目中，获得了客户的一致好评。
建准电机股份有限公司全球事业中心中国区处长王中杰 |
针对大功率LED采用主动散热技术的重要性，建准电机股份有限公司全球事业中心中国区处长王中杰强调，目前大功率LED灯多采用被动式散热设计，容易造成灯具整体变得体积过大、重量过重且无法有效散热，从而影响到LED灯的寿命及效能，即使采用更昂贵高导热的散热材料，在热阻为零的情况下，也只能将温度最多降低3至5℃左右。虽然热管也是一个具有较佳导热能力的选择，但导出的热最终还是需要通过空气对流才能真正带出去，因此导入轻量化、比被动式散热效率高出4～20倍以上的主动式散热设计是一个更快速、有效的办法，它能从根本上帮助大功率LED灯实现既节能又能达到取代传统灯具的目的。
建准推出的400W LED照明主动散热解决方案采用DR MagLev磁浮马达风扇主动式散热设计，比被动式散热提升了四倍以上的散热效果。其主动式散热模块还可搭配特殊流道引导风流对LED电源同步散热，更延长了LED灯的使用寿命。据介绍，采用这一技术后，随着灯具散热效率的提升，400W高功率LED灯具的体积和重量可大幅减少，并可提供IP68防护等级的定制化设计，满足户外照明防尘防水的需求。
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