目前業(yè)界把注意力集中在替代性能源的研發(fā)，或是把節(jié)省能源當作是重要的目標。但在“創(chuàng)造更多”能源的同時，如何“用少一點”也是一大挑戰(zhàn)。照明能耗在數(shù)據(jù)中心的整體能耗中所占的比例雖然不高，人們往往容易忽視，日積月累也是一筆不小的數(shù)字。隨著節(jié)能燈泡和LED燈技術的日趨成熟，于是人們有了更多的選擇，數(shù)據(jù)中心的照明節(jié)能也越來越多的被重視。與普通照明相比，LED照明如何進行實現(xiàn)低功耗，讓我們一探究竟。

    一、LED及其原理簡介

    LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉化為光，具有體積小、耗電量低、使用壽命長、亮度高、熱量低、環(huán)保、耐用等特點。主要應用于各種室內(nèi)、戶外顯示屏，汽車內(nèi)部的儀表板、剎車燈、尾燈，電子手表，手機等。

    LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。

    發(fā)光二極管是一種特殊的二極管。和普通的二極管一樣，發(fā)光二極管由半導體芯片組成，這些半導體材料會預先通過注入或摻雜等工藝以產(chǎn)生pn結結構。與其它二極管一樣，發(fā)光二極管中電流可以輕易地從p極（陽極）流向n極（負極），而相反方向則不能。兩種不同的載流子：空穴和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向pn結。當空穴和電子相遇而產(chǎn)生復合，電子會跌落到較低的能階，同時以光子的方式釋放出能量。

    二、LED燈泡的下半部為散熱部件

    以發(fā)光二極管（LED）為光源的照明器具憑借功耗低、壽命長的特點逐漸開始在市場上滲透。其中，意欲替代白熾燈泡、燈泡型熒光燈等傳統(tǒng)燈泡的燈泡型LED照明（以下，簡稱LED燈泡）近來更是備受關注。因為按照LED壽命計算的燈泡的單位時間價格已經(jīng)與傳統(tǒng)燈泡相當，所以，更新數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有的普通照明燈具并不難實現(xiàn)。

    低價格化并不意味著LED燈泡可以拋棄功耗低、壽命長等特有的優(yōu)點。而且，產(chǎn)品要想立足于市場，還需要具有較高的散熱能力。

    LED燈泡發(fā)出的光線中紅外線成分少。因此，與白熾燈泡、燈泡型熒光燈相比，光線照射部分升溫較慢。但LED自身會發(fā)熱，所以散熱對策不可缺少。一旦超過LED芯片的容許溫度，LED的發(fā)光效率就會下降，對燈泡的壽命也會產(chǎn)生不良影響。

    從外部來看，LED燈泡的特征可以說是提高了散熱性的結果。從側面看LED燈泡，整體下側的一半以上為散熱器（圖1）。例如某些品牌都采用了鋁合金鑄件制造的散熱器，以A、B兩家廠商的LED燈泡散熱器為例進行比較。

圖 1 A、B兩家廠商的LED燈泡散熱器比較

    比較二者的散熱器，除顏色外，形狀差異也非常明顯。在高度方面雖然B產(chǎn)品稍微多些，但散熱器溝道面積則是A產(chǎn)品的較大。A產(chǎn)品的溝道深度從下到上逐漸遞增，而B產(chǎn)品的則是上下基本等高。

    散熱器的表面積越大，散熱性能越高。在外形尺寸有限的情況下，加大溝道深度是增加表面積的方法之一，但隨著溝道深度的增加，電源電路底板、樹脂殼等的內(nèi)部安裝空間會隨之減少。

    A產(chǎn)品的散熱器內(nèi)部空間為圓柱形，B產(chǎn)品則為接近外形的圓錐形（圖2）。樹脂殼在保持絕緣性的同時，把電源電路底板安裝在燈泡殼體上。

圖 2 A、B散熱器內(nèi)部空間比較

    圖2：LED燈泡的主要結構A產(chǎn)品的LED燈泡散熱器（外殼）的圓筒側面有16片直角三角形溝道，上覆圓板。上面直接固定LED基片。電源電路底板固定在杯狀樹脂殼中，從散熱器下方插入。另一方面，B產(chǎn)品LED燈泡的散熱器呈有錐度的圓筒形狀，表面安裝有60片高度不到幾mm的葉片。LED基片固定在散熱器上方覆蓋的圓板狀金屬板上。電源電路底板固定在散熱器上方插入的圓錐形（但側面大部分鏤空）樹脂殼A中。

    LED芯片是LED燈泡的熱源，在燈泡中是把復數(shù)個LED芯片封裝在一起，然后安裝在鋁合金制成的基片上的。這種鋁合金的LED基片被固定在散熱器的上部。B產(chǎn)品中，LED基片與散熱器之間還夾有金屬板。

    三、散熱器連接構造不同

    擴散LED光線的半球狀部分被稱為“球形燈罩”。A產(chǎn)品照明的球形燈罩為聚碳酸酯制，利用粘合劑固定于散熱器上方的4個位置。而普通燈泡的球形燈罩一般為玻璃制造。這是因為LED光線不容易發(fā)熱，所以能夠采用樹脂。而且，采用樹脂之后，在燈泡掉落時也不易破裂，安全性由此提高。

    球形燈罩下方配置的是LED基片。在B產(chǎn)品中，6.9W（白色、總光通量565lm）額定功耗的產(chǎn)品中，LED基片上的LED封裝數(shù)量為7個（圖3）。

圖 3 LED基片上的LED封裝數(shù)量

    圖3：A產(chǎn)品照明LED燈泡的上部LED基片背面與散熱器（外殼）上表面接觸，直接利用2顆螺絲固定。

    A產(chǎn)品的LED基片上安裝有連接電源電路線的連接器。連接器是無需焊接的產(chǎn)品，估計是優(yōu)先考慮了組裝的簡易性。

    LED基片由2顆螺絲固定，拆下基片后可以看到散熱器的上表面。這一部分利用機械加工進行了平坦化處理，只需對LED基片進行螺絲固定即可與基片背面充分貼合從而獲得導熱性能。

    B產(chǎn)品的LED燈泡的球形燈罩為玻璃制造*6。7.5W（日光色、總光通量560lm）額定功耗產(chǎn)品的LED基片上配備了6個LED封裝（圖4）。電源電路底板之間的布線采用焊接方式連接。

圖 4 基片利用3顆螺絲固定在金屬板上

    圖4：B產(chǎn)品LED燈泡的上部LED基片利用3顆螺絲固定在金屬板上，二者之間涂有導熱油。另外，與電源電路底板的布線進行了焊接。

    LED基片通過3顆螺絲固定在金屬板上，二者之間涂布了導熱硅脂。固定LED基片的不是鋁合金鑄件制造的散熱器，而是另外的金屬板。材質雖然為鋁合金，但表面看不出機械加工痕跡。用這種金屬板固定LED基片，兩者的貼合性能有可能不夠充分，所以需要使用導熱硅脂。

    金屬板利用3顆螺絲（不是固定LED基片的螺絲）被固定在散熱器上。取下金屬板可以看到，散熱器內(nèi)部充滿了黑色樹脂（圖5）。估計這些樹脂是促進導熱的填充材料，但這些樹脂與金屬板的背面并未接觸，所以推測其主要目的是向散熱器傳導電源電路底板的熱量，而不是LED封裝發(fā)出的熱量。

圖 5 散熱器內(nèi)部充滿了黑色樹脂

    圖5：B產(chǎn)品LED燈泡的內(nèi)部金屬板利用3顆螺絲固定在散熱器（外殼）上。散熱器內(nèi)部充滿了填充材料，但是與金屬板背面不接觸，熱量只能通過金屬板與散熱器的接觸部分傳導。另外，二者之間配置有O環(huán)，確保了氣密性。

    散熱器與金屬板的接觸部分呈環(huán)狀，面積并不算大。金屬板背面的接觸部分有整圈的凸緣，不僅組裝時容易定位，而且略微擴大了接觸面積。另外，金屬板的外沿裸露于燈泡的外部，成為燈泡設計上的點綴。

    配置于金屬板與散熱器接觸部分周邊的O形環(huán)用途不詳。如果是為了保持氣密性，那么該環(huán)的作用應該是防止液體樹脂填充后的材料外漏，防止從外部進水。促進熱量從金屬板向散熱器傳導也是可以想象得到的目的之一。

    四、電路尺寸不同

    散熱器內(nèi)部安裝了電源電路底板和樹脂殼。圖6是取下A產(chǎn)品的LED燈泡下方金屬蓋之后的情形。電源電路底板插在用1顆螺絲固定在散熱器上的樹脂殼中。

圖 6 電源電路底板的作用

    圖6：A產(chǎn)品LED燈泡的下部電源電路底板插在樹脂殼中。樹脂殼利用1顆螺絲固定在散熱器上。

    電源電路底板為長方形酚醛紙底板，樹脂殼基本接近圓筒形（圖7）。底板與散熱器之間配置了樹脂殼，保證了二者之間的絕緣性。

圖 7 在金屬蓋一側（圖中右側）有開放部位

    圖7：A產(chǎn)品LED燈泡的樹脂殼與電源電路底板樹脂殼僅在金屬蓋一側（圖中右側）有開放部位，保證了電源電路底板與散熱器的絕緣性。電源電路底板呈長方形，通過連接器與LED底板相接。

    圖8是B產(chǎn)品LED燈泡散熱器截面。因為填充材料堅硬，從上方清除需要花費大量時間，因此直接剖開了散熱器。

圖 8 LED燈泡散熱器截面

    圖8：B產(chǎn)品LED燈泡的截面散熱器內(nèi)部充滿了致密的填充材料，電源電路底板和樹脂殼被完全覆蓋。

    剖開散熱器后，隨著逐步剝離填充材料，電源電路底板和支撐該底板的樹脂殼（以下，樹脂殼A）的形狀逐漸顯現(xiàn)了出來（圖9）。電源電路底板形似板羽球拍，尺寸與散熱器內(nèi)徑基本相同。

圖 9 電路底板清除填充材料后

    圖9：B產(chǎn)品LED燈泡的電源電路底板清除填充材料后，電源電路底板上安裝的部件呈現(xiàn)在眼前。電源電路底板呈“板羽球拍”形狀，延伸至下方的樹脂殼A（安裝金屬蓋用）中B產(chǎn)品的電源電路底板為環(huán)氧玻璃制造，遠遠大于A產(chǎn)品的底板。這是由于底板尺寸導致散熱器溝道高度受限，還是為了在有限的空間中，為了達到成本和發(fā)熱量的平衡而決定的電源電路的部件和底板尺寸？這些問題未能得到答案。但總而言之，電源電路底板產(chǎn)生的熱量需要傳導至散熱器。

    樹脂殼A為僅保留了圓筒形上端和下端的環(huán)狀而切割下來的一側。配備電源電路部件的另一側有較大開口，便于向散熱器傳導熱量。

    LED燈泡的組裝步驟推測如下。

    A產(chǎn)品的工序為：①在散熱器上固定樹脂殼（1處螺絲固定）；②插入電源電路底板；③安裝金屬蓋（包括連接布線）；④固定LED基片（2處螺絲固定）；⑤利用連接器連接布線；⑥連接球形燈罩。

    B產(chǎn)品的工序為：①在散熱器上固定樹脂殼B；（3處螺絲固定）；②在散熱器中插入樹脂殼A；③在樹脂殼A中插入電源電路底板；④安裝金屬蓋（包括連接布線）；⑤注入填充材料；⑥配置O環(huán)；⑦固定金屬板（3處螺絲固定）；⑧固定LED基片（3處螺絲固定）；⑨布線焊接；⑩連接球形燈罩。

    與A照明產(chǎn)品以散熱器為中心，沿上下兩個方向安裝部件不同，B照明產(chǎn)品采用的是從下到上逐步安裝的方式。

    五、改善散熱方式降低成本

    在市場的刺激下的刺激下，LED照明通過變更原有產(chǎn)品的設計實現(xiàn)了低價格化。讓我們再來看一下A廠商的新型產(chǎn)品與原產(chǎn)品的差別。

    外觀差異僅在于散熱器上方（與球形燈罩之間）的銀色裝飾環(huán)（圖10）。因為銀色裝飾環(huán)對提高散熱性、提高發(fā)光效率沒有任何幫助，所以新產(chǎn)品省略了該環(huán)。雖然散熱器的模具需要隨之修改，但考慮到幾十萬的產(chǎn)量，省略裝飾環(huán)更有益于降低成本。

圖 10 省略了裝飾環(huán)

    圖10：A照明產(chǎn)品LED燈泡的比較新產(chǎn)品與原有產(chǎn)品相比，除外觀上的涂裝顏色從白色變?yōu)殂y色外，還省略了與散熱無關的裝飾環(huán)。

    摘下球形燈罩看不出原有產(chǎn)品與新產(chǎn)品的差異。但去除金屬蓋后，差異則一目了然：原有產(chǎn)品在樹脂殼中，電源電路底板內(nèi)側存在填充材料（圖11）。而新產(chǎn)品的樹脂殼中只插入了電源電路底板。

圖 11 充滿填充材料

    圖11：A照明產(chǎn)品LED燈泡（原有產(chǎn)品）的下部為了使電源電路底板的熱量高效傳導至散熱器，底板背面與散熱器之間充滿了填充材料。

    從散熱器中拔出樹脂殼可以看到，原有產(chǎn)品的樹脂殼長度短于新產(chǎn)品（圖12）。而且，樹脂殼的側面還有新產(chǎn)品中沒有的開放部位。其目的是使殼中的填充材料與散熱器相接觸。

圖 12 樹脂殼上有開放部位

    圖12：A照明產(chǎn)品LED燈泡（原有產(chǎn)品）的樹脂殼與電源電路底板樹脂殼上有開放部位，可供填充材料與散熱器的內(nèi)面接觸。

    新產(chǎn)品為什么無需填充材料呢？關于這一點，廠商的答案是：①原有產(chǎn)品使用6芯片并聯(lián)的LED封裝，而新產(chǎn)品改為了3芯片串聯(lián)；②電源電路的輸出電流減小，發(fā)熱量也隨之降低；所以新產(chǎn)品無需再利用填充材料傳導電源電路底板熱量。放大觀察LED封裝的確可以看到芯片數(shù)量上的差異。節(jié)省填充材料注入工序，組裝成本也可以相應降低。

    電源電路底板的變更也有助于降低成本。新產(chǎn)品采用了酚醛紙底板，而原有產(chǎn)品采用的是環(huán)氧玻璃底板。按照熟悉電子電路的技術人員的說法：“底板的成本雖說與產(chǎn)量也有關系，但光是此項改變底板就可以從25~40元下降4元”。

    實際取出底板查看，原有產(chǎn)品確實為環(huán)氧玻璃底板。與新產(chǎn)品的酚醛紙底板相比，酚醛紙底板的布線僅為單面，而環(huán)氧玻璃底板為兩面，因此，原有產(chǎn)品的底板較小。也就是說，新產(chǎn)品為采用酚醛紙而擴大了底板面積，容納底板的樹脂殼也不得不增大。

    這一設計變更需要修改散熱器模具，這是成本增加的因素。但LED廠商表示：“通過變更設計，散熱器使用的材料量會略微減少。綜合來看，重新開模仍然能降低成本”。

圖 13 高散熱性的陶瓷使散熱器外殼縮小

    圖13：LED燈泡通過采用高散熱性的陶瓷，散熱器（外殼）可以縮小，除上方外，還可以照亮周圍

圖 14 填充材料

    圖14：LED燈泡的截面想像圖由于LED基片與散熱器的接觸部分無法充分傳導熱量，因此內(nèi)部填充了連接二者的填充材料

    六、陶瓷是散熱材料

    LED燈泡的特點在于散熱器材料為陶瓷，因為陶瓷向空氣的導熱率高于鋁合金，因此散熱面積可以縮小。

    不過，從成本來看，鋁合金鑄件的成本要低，許多廠商也因此放棄了陶瓷。但該公司卻發(fā)現(xiàn)了縮小散熱器后帶來的巨大好處：可以實現(xiàn)全方位發(fā)光。

    現(xiàn)在，采用鋁合金制散熱器的LED燈泡必須把LED設置在接近頂端的位置。因此，光線很難在金屬蓋附近沿橫向發(fā)散。無法像白熾燈泡一樣應用于金屬蓋橫向附近有反射板的照明器具、以及燈泡設置位置偏低且需要全方位發(fā)光的落地燈。而采用陶瓷散熱器后，LED的設置位置可以靠近金屬蓋，從而滿足上述用途的需求，替換白熾燈泡的難度也隨之降低。

    該公司的鋁合金制LED基片向散熱器導熱的方式也進行了改進（圖14）。LED基片由陶瓷散熱器內(nèi)側的凸緣頂端支撐。由于其接觸面積較小，因此依靠接觸無法獲得充分的熱量傳導。而且，陶瓷表面向空氣的導熱率雖高，但陶瓷內(nèi)部的導熱率偏低，這也會影響導熱效果。

    為此，該公司向散熱器內(nèi)部填充了高導熱率的硅類填充材料，使LED基片的背面也與填充材料實現(xiàn)了接觸。這一改進打通了LED基片經(jīng)由填充材料向陶瓷散熱器高效傳導熱量的途徑。為了使填充材料與LED底板的背面緊密接觸，組裝方法也相應進行了改進。成本雖然在決定投產(chǎn)時已經(jīng)達到了平衡點，但要實現(xiàn)低價LED燈泡的成本還是花費了時間。由于生產(chǎn)準備過程花費了大量時間，該公司未能如期投產(chǎn)。

    七、增強封裝的散熱性

    上面介紹的3家公司都為提高LED基片向散熱器導熱的效率而對LED的散熱方式進行了改進。其共同點在于基片采用了鋁合金板與布線圖案之間夾有絕緣層的金屬底板。為有利于LED芯片向底板安裝部位導熱而采取的措施沒有太大差異。

    今后，為了實現(xiàn)亮度相當于100W白熾燈泡的LED燈泡，還需要與此不同的提高散熱的對策。新型LED封裝就是對策之一。

    LED封裝是指發(fā)光芯片的封裝，與集成電路封裝有較大不同，不僅要求能夠保護燈芯，而且還要能夠透光。所以，LED封裝對封裝材料有特殊要求。

    LED封裝技術大都是在分立器件封裝技術基礎上發(fā)展演變而來的，但卻有很大的特殊性。一般情況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內(nèi)，封裝的作用主要是保護管芯和完成電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號，保護管芯正常工作，輸出可見光的功能，既有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設計及技術要求，無法簡單地將分立器件的封裝用于LED。

    針對需求，市場上也出現(xiàn)了由鍍銀的銅引線框架與陶瓷外殼組合而成的LED封裝（圖15）。該封裝將作為未安裝LED芯片的芯片底板供應廠商。

圖 15 LED封裝

    圖15：LED封裝銅板鍍銀的引線框架固定在價格較低的陶瓷外殼上。熱量主要通過引線框架向散熱器傳導。

    過去曾經(jīng)有過采用高導熱性氮化鋁材料作為LED封裝外殼的產(chǎn)品。LED的熱量可以借助外殼傳導至封裝底板。雖然該外殼能夠憑借導熱性和耐熱性優(yōu)于樹脂外殼的特點實現(xiàn)高功率LED封裝，但成本昂貴。

    與之相比，采用銅引線框架作為導熱路徑的芯片封裝地板，外殼采用了導熱性差，但耐熱性的廉價陶瓷。從而使成本降低到了原有陶瓷LED封裝的一半。

    這種封裝的結構雖然非常簡單，但銅的熔點低，難以與陶瓷組合。為此，該公司自行開發(fā)出了能夠以低于銅熔點的溫度燒制、與銅結合性強的陶瓷。通過改進燒制時的溫度控制和固定方法，成功開發(fā)出了電極（引線框架頂端之間）間隔小于70μm的高芯片底板（圖16）。

圖 16 高芯片底板

    圖16：LED封裝試制品與導熱分析的結果，公司開發(fā)出了能夠以低于銅熔點的溫度燒制，且與銅接合能力較高的陶瓷。試制品可以安裝10個LED芯片，導熱性能良好，LED芯片與引線框架的溫度差約為2℃。在導熱分析中，越接近紅色表示溫度越高。

    電氣化學工業(yè)的“電氣化AGSP底板”也是提高LED封裝散熱性的手段之一。現(xiàn)已開發(fā)制造出了任意形狀的銅柱貫穿于任意位置的底板。如果把該底板作為LED封裝外殼的一部分使用，就可以借助銅柱與LED芯片的接觸，向散熱器傳導熱量。雖然在成本方面仍有需要解決的課題，但新型封裝的采用在今后完全有望擴大。

    八、發(fā)展前景

    作為目前受矚目的新一代光源，LED因其高亮度、低熱量、長壽命、無毒、可回收再利用等優(yōu)點，被稱為是21世紀有發(fā)展前景的綠色照明光源。我國的LED產(chǎn)業(yè)起步于20世紀70年代，經(jīng)過近40年的發(fā)展，現(xiàn)已形成上海、大連、南昌、廈門、深圳、揚州和石家莊7個國家半導體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地，產(chǎn)品廣泛應用于景觀照明和普通照明領域，我國已成為大照明電器生產(chǎn)國和第二大照明電器出口國。

    LED照明在北京奧運會開幕式盛典上的驚艷亮相，美輪美奐、氣勢磅礴，給全世界留下震撼的印象，也讓國人對LED有了全新的認識。中國半導體照明行業(yè)是很幸運的，在產(chǎn)業(yè)起飛的時候就可以遇到難得的奧運契機。對于這場奧運饕餮大宴，LED行業(yè)無疑是其中的一大受益者，LED在奧運場館、景觀照明、室內(nèi)外全彩顯示屏、指示等方面的出色表現(xiàn)，增強了社會各界對半導體照明未來發(fā)展的信心，有認為，中國LED照明產(chǎn)業(yè)將在2010年前后迎來新的發(fā)展高峰。