室内照明灯具最佳解决方案

一、 前言

LED照明灯具技术为一种系统整合的概念(光、机、电、热)，其系统中心为LED光源，LED光源的技术目标是为了提供更好的发光效率，更低的热阻，更佳的光谱特性，如演色性及相关色温等。

以光源为主体可将LED照明灯具展开4项技术的整合，分别为光学、电控、散热与机构，光学技术的目的是为照明灯具设计符合需求的灯具光型，透过光学分析及仿真并且利用光学组件将光源的光型转换为灯具需求的光型;电控则可大致分为电源驱动及控制系统，电源驱动目的是为将外部电源转换为LED所需求的电压或电流，控制系统就是让灯具结合传输及数字化操作，赋予灯具生命;由于LED光源在发光的同时也产生大量的废热，散热结构设计使LED灯具与光源保持适当的温升，以避免减低效能及寿命;由于LED灯源体积小，使用变化大，因此机构设计可以让LED灯具有别于传统荧光灯或HID灯具，展现更多样化的连接方式，因此LED照明灯具不论是取代式灯泡或者是新一代的LED照明模块，皆为上述技术的整合。

根据J.P. Morgan 2010的研究亦显示，2015LED灯泡在全球照明市场的渗透率可达40%，约近40亿颗的销售量;并预计在2018年前达到75%的渗透率。「现在市场上已有不少供货商开始生产制造各种不同类型的LED灯泡，以便供消费者进行选择。」目前由于一个光通量等同40W、470 lm白炽灯泡的LED灯泡市场价格约20美元，60W、800 lm白炽灯泡的LED灯泡其市场价格更是高达每个40美元，由于价格因素使得一般民众对LED灯泡的接受度仍不高。

依据SSL制造成本的分析数据显示，只是Thermal and Metal Bending、Driver/Power Supply、LED Back-End Process这3项与散热及驱动装置相关的零组件，就占去一个LED灯泡高达80%的成本;而其余的Luminaire Optics、Luminaire Assembly、Phospor…等项目，其总和则不到成本的20%。至于实际与LED相关的零组件，更是占不到5%的比例。

以往LED照明业者老是强力要求LED产品供货商降低供货售价，根本就是搞错方向，对于LED灯泡价格的改善是于事无补。如何思索新的设计模型，以便在兼顾效能与成本的需求下，发掘出最合理的LED灯泡新BOM表，才是值得业者投入的方向。

而这当中又以LED产生热量的处理方式最为重要。未能有效解决散热问题，就会提高接面甚至是整体芯片之温，芯片的高温会导致 LED 造成下的影响:

1. 低发光效 :同的温下，发光效对温的关系图 如下图，发光的效会随着温的提升而减少。

2. LED 芯片的损坏 : 一般设计发光二极管的工作温超过 120 ℃，在超过芯片可承受之高温下运作，则会造成芯片的失效及损坏。

3. LED 之寿命衰退 : 承接着第 2 点，在高温之下点的 LED 其使用寿 命也随之减少。

4. 中心波长偏移 : 随着芯片温的提升，中心波长会有所偏移，而此偏移现象会造成 LED 的色彩变化。

5. 封装材化 : 用于 LED 的封装材多为高分子材，持续在高 温下作用，会使封装的材脆化及化 。

二、 HV LED 简介

随着发光二极管的制程技术以及效的断提升，为了配合市场的发展需求，朝着大功及高发展，也就是高功的LED 已经成为趋势。HV LED 仅能将家用交电源透过外接全波整器驱动，也可以用直电驱动，应用的范围相当的弹性。而高压发光二极管的芯片的发光效比一般在正负半周转换的AC LED 要高。

也因为HV LED 高电压的特性，使得在相同电功输入时，相对于传统的DC LED 芯片结构而言，可低过HV LED 每块微晶之电，也因为HV LED 小电、多微晶的设计，因此可提高电分布的均匀性。HV LED单元间的互联是利用基板上的布线完成的，封装制程简单，封装成本相对低廉，因此高压低电流的设计产生更佳的发光效率。

相比低压LED，高压LED有两大明显竞争优势：

第一，在同样输出功率下，高压LED所需的驱动电流大大低于低压LED。

第二，高压LED可以大幅降低AC-DC转换效率损失。

三、 HV 芯片+ Ceramic 基板 + COB 封装

随着LED朝着高功率方向的发展，导热、散热相关问题的解决也势在必行，而解决此类问题的途径也相当多元化。针对大功率LED照明的散热技术，采用陶瓷基板。由于具有与半导体有接近的热膨胀系数与较高的耐热能力，能有效地解决热歪斜及高温工艺问题。陶瓷基板特性如下：

1.可用于PKG数组封装。

2.可用于高电压、高温度的制程并与LED有良好的热膨胀匹配系数。

3.厚度薄、尺寸小散热性佳。

4.工作温度非常高，可适用高功率LED使用。

5.寿命长、可抗腐蚀、耐高温、物理特性稳定。

在COB封装中，由于散热路径较短，LED芯片由工作中产生的热能可以有效传递至散热片，因为具有这样的特性，COB封装可以比传统离散式组件封装维持更低的LED芯片接面温度。LED接面温度在LED寿命与效能表现扮演相当关键的角色，较低的接面温度由于劣化程度较低，因此寿命较长，此外，LED在温度较低时，每单位功率输入的光输出也较高。简单来说，COB封装可让终端使用者以更少的温度管理需求或更低的系统成本，得到比传统离散式组件封装更好的效能产品。