高功率發光二極體模組應用研發(I)

97 學年度行政院國家科學委員會補助產學合作研究計畫 進度報告

計畫編號： 97-2622-E-011-008-CC2 計畫類別：開發型

計畫名稱： 高功率發光二極體模組應用研發(1/2)

執行期間： 97 年 08 月 01 日 至 98 年 07 月 31 日

計畫主持人： 國立台灣科技大學 機械系 林舜天 教授

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：

本成果報告包括以下應繳交之附件：(若無則免繳)

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

執行單位： 國立台灣科技大學

中 華 民 國 97 年 4 月 30 日

中文摘要：

本研究計畫是以主持人已申請的八件專利內容為基礎，主要特點是在於直接將LED 晶片 直接封裝在散熱結構上（chip on heat-dissipating board）之方式，製造導熱性高及穩定性高 之複合基板散熱模組，進行特殊高功率LED 封裝基板結構的設計與試製。第一年計劃是以 LED封裝層次的封裝基板開始，開發高熱傳銅基體與陶瓷玻璃共射出形成複合結構體來作 為高功率LED模組的散熱基板，並加上高效率變壓模組及電控設計，再搭配熱模擬分析及 光學設計、摸擬，以達成最佳化高功率LED 模組之散熱基體結構，並配合連展公司將此散 熱基體結構設計組成產品，產品包含E-27 高功率LED 螺旋燈泡、MR-16 高功率LED 投 射燈、LED 冷凍燈條產品來進行。第二年計劃是以金屬粉末射出成形技術製作高功率LED 模組的散熱基板，並加上高效率變壓模組及電控設計，再搭配熱模擬分析及光學設計、摸 擬，以達成最佳化高功率LED 模組之散熱基體結構，並配合連展公司將此散熱基體結構設 計組成產品，產品包含情境檯燈、高功率LED 吊燈、高功率LED 路燈產品來進行。最終 目的為整合學校設備、模擬工具軟體及技術人力等資源，並成立共通實驗室，並成功地將 六件產品商品化。

關鍵字：高功率發光二極體；散熱設計；光學設計；新型封裝設計

英文摘要：

The goal of this proposed research is to fabricate high powder light emitting diode (LED) modules based on eight patent-pending concepts of chip on heat-dissipating board. The heat dissipating boards for this application are complex in structure, which can independently manage the flow and electricity and heat, and are fabricated either by metal injection molding or metal-ceramic co-injection molding. LED chips will be packaged onto the heat-dissipating board and LED products of different designs in flow of electricity and heat will be fabricated, including high power E-27 light bulb, MR-16 light bulb, projecting light bulb, and refrigerating light bar in the first year of the two-year study, and desk lamp, hanging lamp, and street lamp in the second year. Efforts to enhance the performance of high power LED products include optimal design of power transforming module and powder control module, thermal design, and light pattern design.

The final goal of this proposed research is to integrate the capacity of faculty, students, and facilities in our institute and the fellows in the sponsoring company to achieve the mutual goals of commercialization of products and establishment of inter-disciplinary lab.

Keywords：high powder LED； thermal design；optimal design；chip-on-board

一、前言：

當全球的環保意識日益高漲，各國也普遍正面臨著能源有限的問題時，先進國家對於 如何讓運用有限能源變得更有效率，以及如何減少使用能源或發電時創造的環境污染有更 全面的思維，然而照明更佔全世界 17％的電力，白炙燈泡是照明領域中最耗電的產品，目 前的趨勢是設法推動 LED 照明的需求，朝向高功率的方向發展。

LED（Light Emitting Diode；發光二極體），屬於一種化合物半導體元件，主要以 III-V 族元素或 II-VI 族元素所組成，發光原理是應用二極體內原本分離的電子（N）與電洞（P），

在通入順向電壓後相互結合時，將其所產生之剩餘能量，以光的形式釋放出來，且依其使 用的材料的不同，其能階高低使光子能量產生不同波長的光。

LED 產品優點包含環保節能、體積小、堅固耐用、耗電量低、壽命長等優點，此外 LED 還有另一種優點即是它的發光特性，是光源點的模式，故設計上更有彈性，可以做出 打散光亮的燈具，也能做集中一點或特定區域的燈具，所產生的顏色能夠更鮮艷明亮。在 LED 產品應用型態中，可見光為主要應用產品型態，可分為一般亮度 LED（Convertional LED）及高亮度 LED（High Brightness LED；HB LED），一般亮度 LED 多應用於消費性電 子、家電產品上之指示燈，屬傳統應用，一般亮度 LED 的應用領域已達飽和；近年來高亮 度、高功率 LED 之開發則主要是朝向背光源(NB、LCD-TV、LCD-Monitor)、室內外照明、

車燈、路燈等方面發展。

二、目的：

第一年主要的目的是針對 MR-16、E-27、冷凍燈條來進行設計以及改良。目前市面 上大多的產品，以被動式來說，市面上有的產品為 5 瓦以下，目前的目的為開發 5 瓦的 MR-16 以及 E-27 被動式散熱。再者為 E-27、MR-16 主動式散熱，以提高瓦數跟亮度。再者為冷凍 燈條，市面上幾乎都是 10 瓦以下，現在欲發展 10 瓦的冷凍燈條。

再來發展發光二極體的新型封裝方法，直接把發光二極體封裝在散熱基板上，讓晶片 和環境的熱阻可以減少，可以解決發光二極體的散熱問題，以提高發光二極體的發光效率。

三、執行方法

(a) COB LED、MR-16、E-27、冷凍燈條外型設計與開發。

(b) COB LED、MR-16、E-27、冷凍燈條散熱設計與開發。

(c) COB LED、MR-16、E-27、冷凍燈條機構設計與開發。

(d) COB LED、線路設計。

(e) 製作模具以利 COB LED、MR-16、E-27、冷凍燈條開發

PART-1 E27

從被動式散熱轉為主動式散熱 一、前言

近年來 LED 照明技術不斷的提升，因具低耗電量、壽命長、無需暖燈時間、

反應快等優點，LED 已逐漸取代白熾燈、鹵素燈等光源，廣泛運用在日常生活 中。為了提高消費者的照明需求，高功率的 LED 以成為目前趨勢，但 LED 本身 的散熱問題，也因功率的提升而倍受重視。以即將取代白熾燈之高功率 5W E27 LED 為主，往往會因為不良的封裝，而降低 LED 的發光亮度及壽命；欲解決其 散熱的問題，我們先採取擴大散熱面積之方法進行改良。

圖 1-1 市售 5W E27 LED

二、第一階段─被動式散熱 LED

熱傳遞的方式可分成傳導、對流及輻射三種。欲提高 LED 的散熱效果，必 須選擇熱傳導性高的材料，並採用截面積大的散熱鰭片，以增加散熱面積。目 前市面上最常見的高功率 LED(如圖 1-1)，大多以散熱片做為主要的散熱元 件，但由於散熱面積小，無法達到適當的解熱效果。

2-1 機構設計概念

為了改善上述的問題，我們增加了鰭片的數目及表面積，讓 LED 的熱源可 透過鰭片的傳導，順利排除到環境中。圖 2-1 所設計的 LED 燈杯具有 48 片鰭 片，而每個鰭片的寬度皆為 1mm、長度為 9mm；以高細長比的設計來提高散熱 面積。

圖 2-1 E27 LED 的散熱燈杯

另外在燈杯空心處，搭配一塊銅基板，銅基板主要目的可用來放置 LED 及將熱導到散熱燈杯，再藉由鰭片傳導出去。

圖 2-2 銅基板(左) 5W LED+銅基板+散熱燈杯爆炸圖(右)

為了放置 LED 的變壓器，另外再燈杯的下方設計一塑膠柱，並連接 E27 之螺旋燈頭。(如圖 2-3)

圖 2-3 E27 LED 爆炸圖(左) 被動式 E27 LED 設計概念圖(右)

定位方面，LED 與鋁基板是利用一對 M2x6 螺絲固定(圖 2-3)，另外再用 兩顆 M2x14 螺絲將已固定好的 LED 與銅基板一併和散熱燈杯及塑膠柱結合(圖 2-4)。

圖 2-3 LED+銅基板組合圖 圖 2-4 散熱燈杯與塑膠柱組合圖

2-2 散熱燈杯的加工方式與材料選用

選擇的加工方式需搭配適當的材料，才能讓散熱的效果提升；經常用來製 做散熱片的加工方式有鋁壓鑄及鋁擠型兩種(表 2-1)。 使用壓鑄法可製作形 狀複雜或具薄而密的散熱鰭片，因此在外型上可以有較多的變化；而由鋁擠型 製成的散熱鰭片，具有低成本、低模具費用、開發期短等優點。

於材料方面，壓鑄所使用的 ADC12 材料，熱傳導率為 96 W/mK，與熱傳導 率 160~180 W/mK 的鋁擠型材料(6063)相比，明顯的散熱性能較佳，再加上鋁 擠型的加工的平整度佳，因此可說是現階段最被廣泛使用在散熱鰭片上的製

前視圖

程，我們所使用的加工方式為鋁擠型。

表 2-1 加工方式之優缺點比較

在 研 究 過 程中，我 們 發 現 市 面 上 販 售 號 稱 5W 的 LED，事實上皆未到 5W 的輸出功率，而以目前鋁擠型製成的散熱鰭片，確實可 以提供這些 LED 部分的解熱效果，但對於 5W 以上高瓦數及高亮度 LED 而言，

散熱鰭片的散熱效能仍然有限，無法完全達到解熱之效果，因此在 LED 燈具 中，我們另外搭配了風扇做為主動式的散熱模組，並將功率提高到 10W 進行測 試。

加工方式 適用材料 優點 缺點

鋁壓鑄 ADC12

z 可作形狀複雜件 z 量產性佳

z 開發成本高 z 開發時間長

鋁擠型 6063

z 材料便宜 z 模具費用低 z 開發時間短

z 成 品 密 度高

z 形狀單純

三、第二階段─主動式散熱 LED

所謂的主動式散熱是藉由風扇的帶動，將產生的熱及時逸散至大氣中，

為一種主動式的熱傳導動作。為了提高照明的亮度與範圍，我們將LED設計了 正向(down- light)及側向(Side-light)兩種照明方向，並且可由開關切換來 改變照明方向。

3-1 機構設計概念

在散熱燈座各 90°的位置上設計了各 6 片鰭片，鰭片的大小約寬 1.1mm、

長 19mm。除了散熱鰭片，另外將風扇裝在散熱燈座正下方，風扇運轉時可通 過鰭片將熱帶走，或藉由散熱燈坐內的兩個通道，將熱源帶到環境中。(圖 3-2)

圖 3-1 散熱燈座 圖 3-2 散熱燈座上之兩通道

Down-light 部分的 LED，放置在散熱燈座的上端(圖 3-3)，由一對 M2x4

螺絲直接鎖在燈座上。

圖 3-3 Down-light LED 示意圖(左) 螺絲固定處(右)

散熱燈座的四面凹口處，放置 Side-light 各 1W 之 LED，於目前實驗的階 段，我們將每顆 1W LED 燈暫時先以 M2x4 螺絲固定；另外在散熱燈座上設兩凹 槽，以點膠再錫焊的方式固定 LED 的正負極引腳，防止燈座導電而短路的現 象。(圖 3-4)

圖 3-4 Side-light LED 示意圖(左) 凹槽

燈杯上面鑽了 10 個小洞做為進風口(圖 3-5)；燈罩的部分，也開了 10 個

正向及側向的出風口(圖 3-6)，以增加熱對流效應。燈杯設計凹槽和燈罩以卡

合的方式組裝。(圖 3-7)

圖 3-5 燈杯(進風口) 圖 3-6 燈罩(出風口)

圖 3-5 燈杯&燈罩組裝方式

圖 3-6 主動式 E27 LED 設計概念圖

3-1 風扇選用

風扇較常見的種類有兩種，一種是排氣方向與中心軸呈平行狀態的軸流 扇，另一種是排氣方向與中心軸垂直的離心扇，我依照其類型、尺寸、功率、

轉速、及使用的環境等去做選擇。離心扇屬於側向出風，因此排風口數量少(1-2 個)無法有效率的解熱，因此我們採用 0.5W 的軸流風扇與散熱鰭片做為目前的 散熱模組。

表 3-1 軸流扇與離心扇差異 類

型

排氣方向

效 率

成 本

特性

軸 流扇

與中心軸 平行

中/

小

高 低風壓 高 風量 離

心扇

與中心軸 垂直

大 中 高風壓 低 風量

圖 3-7 軸流風扇

進風 出風

圖 3-8 離心風扇 四、未來進度

目前各部分零件皆為送加工狀態，電控部分使用 1 顆齊瀚 5W LED、4 顆宏 齊 1W LED 及 1 顆建準 0.5W 風扇並搭配外型，請廠商代為設計，後期的進度將 會進行 LED 在各部位熱分布狀況及供與電壓電流後，在各階段功率損失狀況等 測試。

進風 出風

PART-2

‧ MR16 現階段皆為低功率 LED，為達更高功率的設計，將在 MR16 結構中設計更有效率 的散熱裝置

第一階段-被動式

‧ MR16 的第一階段為利用鰭片的傳導方式進行被動式散熱，藉由增加鰭片數量以改進 散熱表面積

‧ 在鰭片選用材料方面，以鋁合金為主，藉由擠出加工成型

‧ 為節省整體的材料成本以及增加導熱面積，鰭片內部設計為中空，再利用導熱較佳 銅柱作為 LED 晶片的燈座

MR16 初期為選用 4 顆 LED 晶片形成 5W，但由於成本以及發光效率考量，改以單顆 5W 的 LED 晶片取代 4 顆 LED 晶片

第二階段-主動式

‧ 為提升第一階段 MR16 的發光效率，將設計 Driver 驅動單顆 5W LED ，使形成更高 亮度，而 LED 所產生的熱量也隨之增加，所以在 MR16 第二階段，為利用風扇去強迫 空氣加速對流進行主動式散熱，加上第一階段的鰭片式傳導散熱，期許能降低 LED 所產生的熱量

第三階段-主動式改良

改良設計(一)

在 MR16 的第三階段中，考慮配合機構外型及達到更好的散熱效果，將設計圓形風扇座配合 燈殼外型，不僅在有限空間能容納更大尺寸的風扇，也能達到更好散熱效果

改良設計(二)

在散熱鰭片的設計中，將鰭片置於燈杯上方，使散熱鰭片與空氣有更多的熱交換面積，達 到更好的散熱效果

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2008.12.23（二）

第三代冷凍燈條 12V（9W-WW）溫度&照度測試報告 測試目的：第三代冷凍燈條 12V – Temperature & Illuminance Testing

測試條件：

測試人員：Han

測試日期：2008.12.22（一）

測試地點：連展科技照明實驗室 測試時間：約 19 小時

環境溫度：25℃

相變化材：新萃 7005 (T=0.125mm)

樣品尺寸： (570 X 19 X 15) mm 樣品重量： 165g

樣品材質：鋁擠 (Al 6063)

LED 規格：葳天 PM6N-FFVE 0.5W LED-WW LED 色溫： 3050~3250K

LED 流明： 360lm

電源供應：adapter 12V – 1.0A (12W) 測試高度：100 cm

照 度 計：TECPEL DLM 536 × 9 Thermometer：TECPEL DTM 319 × 1 取樣時間：10 秒/次

溫度量測點：

測試數據：（溫度＆溫度差）

量 測 者

電壓

（V）

電流

（A）

功率

（W）

T1（℃）

Light bar 鋁基板

T2（℃）

鋁擠背後溫度

T3（℃）

鋁擠 表面溫度

T4（℃）

室溫

△T1-2（℃）

Light bar 鋁基板 與鋁擠背後溫度

差

△T2-3（℃）

鋁擠背後與鋁擠 表面溫度差

△T3-4（℃）

鋁擠表面與室 溫之溫度差

Han 11.99 0.724 8.68 46.80 46.04 45.11 25.30 0.76 0.93 19.80

備註：定電壓模式下電源供 測試數據以 平均值 統計 測試數據以 平均值 統計

Han 11.99 0.724 8.68 49.90 46.10 45.30 25.50 0.8 1.1 20

備註：定電壓模式下電源供 測試數據以 最大值 統計 測試數據以 最大值 統計

溫度測試結論：

1.第三代冷凍燈條(12V/630~750mA 友立森版本) Light bar 鋁基板的平均溫度為 46.80℃、鋁擠背後溫度 46.04℃、鋁擠表面溫度 45.11℃。

2.鋁擠表面與室溫之溫度差為 19.80℃，散熱面積是足夠的。

取 stable 後 10 小時 Light bar 鋁基板溫度

鋁擠背後溫度

鋁擠表面溫度

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取 STEADY 後 10 hrs

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2008.12.23（二）

第三代冷凍燈條 12V（9W-WW）溫度&照度測試報告 測試數據：（照度@100cm）

平均照度=

2 2 4

1

×

×

[ (

)

(

) (

) ]

平均照度 =

2 2 4

1

×

×

[ (

) (

) (

) ]

= 69.45 Lux

平均照度 =

2 2 4

1

×

×

[ (

) (

) (

) ]

= 71.88 Lux

照度測試結論：

1. 第三代冷凍燈條(24V/630~750mA 友立森版本) (60 x 60 cm)照度為 69.45 Lux、(60 x 40 cm)照度為 71.88 Lux。

照度值取 8~18 小時平均值做計算

照度計配置位置

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ADVANCED-CONNECTEK INC. 2008/12/24 Light Bar 冷凍燈條電氣測試報告

試測目的： Light Bar 冷凍燈條量測其電氣特性變化情形。

測試條件：

測試人員：jack

測試日期：2008.12.22~23

測試地點：連展 5 樓實驗室(暗房) 測試時間：PM14:00 ~ AM09:00 點亮時間：19 小時

環境溫度：25℃

電源供應：AC110V~220V & DC 24V LED 規格：葳天 暖白 0.5W x 18 pcs Thermometer：TECPEL DTM 319

輸入功率: 11.31W 輸出功率: 8.68W

測試儀器：

連展科技股份有限公司

ADVANCED-CONNECTEK INC. 2008/12/24 Light Bar 冷凍燈條電氣測試報告

測試儀器：

測試數據：

VIN(V) IIN(A) PIN(W) VO(V) IO(A) PO(W) ^η(%) 120 0.186 10.92 11.99 0.724 8.68 79.49 220 0.127 11.31 11.98 0.742 8.89 78.6

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2008.12.19（五）

第三代冷凍燈條 24V（9W-WW）溫度、照度及防水測試報告 測試目的：第三代冷凍燈條 24V – Temperature & Illuminance Testing

測試條件：

測試人員：Han

測試日期：2008.12.16（二）

測試地點：連展科技照明實驗室 測試時間：約 22 小時

環境溫度：25℃

相變化材：新萃 7005 (T=0.125mm)

樣品尺寸： (570 X 19 X 15) mm 樣品重量： 165g

樣品材質：鋁擠 (Al 6063)

LED 規格：葳天 PM6N-FFVE 0.5W LED-WW LED 色溫： 3050~3250K

LED 流明： 360lm

電源供應：adapter 24V – 0.62A (15W) 測試高度：100 cm

照 度 計：TECPEL DLM 536 × 9 Thermometer：TECPEL DTM 319 × 1 取樣時間：10 秒/次

溫度量測點：

測試數據：（溫度＆溫度差）

量 測 者

電壓

（V）

電流

（A）

功率

（W）

T1（℃）

Light bar 鋁基板

T2（℃）

鋁擠背後溫度

T3（℃）

鋁擠 表面溫度

T4（℃）

室溫

△T1-2（℃）

Light bar 鋁基板 與鋁擠背後溫度

差

△T2-3（℃）

鋁擠背後與鋁擠 表面溫度差

△T3-4（℃）

鋁擠表面與室 溫之溫度差

Han 23.83 0.36 8.58 47.47 47.27 46.80 25.24 0.2 0.47 21.55

備註：定電壓模式下電源供 測試數據以 平均值 統計 測試數據以 平均值 統計

Han 23.83 0.36 8.58 47.50 47.30 46.80 25.40 0.20 0.5 21.4

備註：定電壓模式下電源供 測試數據以 最大值 統計 測試數據以 最大值 統計

溫度測試結論：

1. 第三代冷凍燈條(24V/330~450mA 友立森版本) Light bar 鋁基板的平均溫度為 47.47℃、鋁擠背後溫度 47.27℃、鋁擠表面溫度 46.80℃。

2. 鋁擠表面與室溫之溫度差為 21.55℃，散熱面積是足夠的。

取 stable 後 10 小時 Light bar 鋁基板溫度

鋁擠背後溫度 鋁擠表面溫度

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取 STEADY 後 10 hrs

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2008.12.19（五）

第三代冷凍燈條 24V（9W-WW）溫度、照度及防水測試報告 測試數據：（照度@100cm）

平均照度=

2 2 4

1

×

×

[ (

)

(

) (

) ]

平均照度 =

2 2 4

1

×

×

[ (

) (

) ( )

]

= 72.63 Lux

平均照度 =

2 2 4

1

×

×

[ (

) (

) ( )

]

= 77 Lux

照度測試結論：

1. 第三代冷凍燈條(24V/330~450mA 友立森版本) (60 x 60 cm)照度為 72.63 Lux、(60 x 40 cm)照度為 77 Lux。

照度值取 11~21 小時平均值做計算

照度計配置位置

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取 STEADY 後 10 hrs

連展科技股份有限公司 ADVANCED-CONNECTEK INC.

2008.12.19（五）

第三代冷凍燈條 24V（9W-WW）溫度、照度及防水測試報告 防水測試：

防水測試結論：

1. 將冷凍燈條泡在水中持續點亮已 360 小時(15 天)，目前仍再持續測試中，測試其間多次從水中拿起又放入，顯示 SCE3231 矽膠防水性能 優良。

2. 喬越 SCE3231 矽膠是屬於 A、B 兩劑混合，是屬於縮合型反應，固化主要是靠相對的溫度-濕度，而不是升溫就可以固化。選用縮合型反 應的主要原因是要避免矽膠中毒的現象(矽膠中毒的話膠是永遠都不會乾的)。

其它：

1. 目前第三代冷凍燈條(12/24V 友立森版本)在公司實驗室中已做過溫度、照度、電力、防水的測試，測試結果顯示出第三代冷凍燈條的樣 品是合格的，因先前的產品規劃主要是應用於冷凍貨車(大貨車 24V、小貨車 12V)台南美富也指出我司設計的外觀機構件在裝置時最為 方便同時也比較不佔空間，且針對 CE 或是 UL 的認證並沒有強制的規定須通過，因為美富認為 LED 冷凍燈條對於他們來說是選配而不 是必配的零件產品，如果裝設於美富的冷凍貨車能夠用的話就會採用(美富本身會做測試)，主要還是考量到冷凍燈條本身旳價格。

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ADVANCED-CONNECTEK INC. 2008/12/18 Light Bar 冷凍燈條電氣測試報告

試測目的： Light Bar 冷凍燈條量測其電氣特性變化情形。

測試條件：

測試人員：jack

測試日期：2008.12.16~17

測試地點：連展 5 樓實驗室(暗房) 測試時間：PM15:00 ~ AM11:00 點亮時間：20 小時

環境溫度：25℃

電源供應：AC110V~220V & DC 24V LED 規格：葳天 暖白 0.5W x 18 pcs Thermometer：TECPEL DTM 319

輸入功率: 10.68W 輸出功率: 8.63W

測試儀器：

連展科技股份有限公司

ADVANCED-CONNECTEK INC. 2008/12/18

Light Bar 冷凍燈條電氣測試報告 測試儀器：

測試數據：

VIN(V) IIN(A) PIN(W) VO(V) IO(A) PO(W) ^η(%) 110 0.181 10.35 23.83 0.36 8.58 82.89 220 0.118 10.68 23.83 0.362 8.63 80.77