节能减排热潮下 如何提升LED道路照明可靠性
LED道路照明应用在各地政策推动下建设的如火如荼，LED作为绿色照明产品应用于路灯照明，也是地方培育以低碳排放为特征的新的经济增长点，拉动经济社会发展的新“引擎”。但由于产品品种多、技术难度大、各家企业的技术水平差异和评价方式不一等原因，导致部分地区也有不成功的案例，为此中国半导体照明网编辑连线了鑫源盛科技股份有限公司技术总监管新宁Ph.D.就LED道路照明的可靠性问题，作了了解，希望对业内有所启迪。
管新宁先生对失败案例有自己的看法，他认为：“近年来在全球环保潮流之下，LED照明产业迅速兴起，有许多科技公司投入此新兴产业，但由于LED照明信赖性能标准未能实时订定、妥为规范，导致个别产品无法通过考验、严重光衰收场，主要原因是无设计理论性研究为检视支柱，因而造成使用业主疑虑，也因此推迟产业发展时机。为此LED照明解决方案供货商鑫源盛科技(Thermalking)，提供了高性能LED路灯多项组件至灯具系统的各项重要技术指针规格数据，供业界参考。”
LED芯片与封装组件发光效率关键技术指针部分，首要之LED芯片与封装组件关键技术，欧美、日厂商均已量产突破发光效率100~120lm/W以上，超越传统最高效率的HID光源(发光效率90~110lm/W)，解决目前LED灯具总体光效不足≧45lm/W问题，满足道路照明寿命长、光衰低，符合国际标准平均照度，达25~40Lux规格与节能30~60%需求。
LED发光效率、温升与寿命规格关键技术指针部分，检视CREE或Osram LED等业者所公布的数据，其芯片PN结工作温度Tj＜75~85℃，方能确保高于85%出光效率下工作寿命达5万小时，且芯片PN结至本身导热片(Tjs)温升为ΔT＝6~15℃之间，另外LED光效率与工作温度成反比性能特性，每升高10℃，就会导致光衰3~6%并且寿命减半的严重后果，与一般宣传LED可工作于100~125℃寿命可达10万小时以上的论点,却忽略在此条件下已造成光效率折损25~30%的观念相去甚远。
LED路灯系统热传散热环境温度关键技术指针部分，此类灯具系统工作温度不得高于85-10=75℃；台湾LED道路灯具规范CNS15233规定，耐久性试验环境温度为50℃，因此路灯散热系统温升必须小于ΔT≦25℃。以鑫源盛科技150W LED路灯为例，热传散热系统温升测试低达ΔT≦13℃，计算其热阻值Tr=0.08℃/W，而多数业界厂商设计系统温升测试ΔT≒30~40℃，计算其热阻值Tr=0.2~0.26℃/W；以相同条件下鑫源盛科技的产品较其它厂商产品寿命将增长2倍且亮度增加15%以上。另外以鑫源盛科技350W LED灯具测试，其散热系统温升仍能达成ΔT＝15℃，热阻值Tr＝0.04℃/W。
LED路灯系统热传散热关键技术部份，电子机器设备热传、散热方法有适用于小功率自然散热方法，目前如MR16/PAR30由1~70W产品，系统温升已高达30~40℃。若超过100W仍使用自然散热方法，就如同目前市面上大部分产品，必须使用大量铝合金材料增加导热量和超大的热交换面积，体积重量动辄2、30Kg，非但增加灯具成本更增添了灯杆灯具安全悬挂的风险。自然散热的定律为使用越重越大面积的金属材料来降低温度，效果越好，但仅铝合金材料成本即增加60~200元新台币/公斤，若干厂商号称使用热管或回路热管即可达到散热效果，这仅仅解决了热传导，不论是热管或者是回路热管都只有热传导的功能并没有散热的功能，若要达到良好散热必须使用相对瓦数的有效散热面积也就是必须增加大面积的金属材料来做热交换；否则必须改用工业级高信赖性冷气机空调、计算机CPU等高阶大功率产品所使用之主动强制散热方法，高效率、军规的小风扇寿命保证7万小时，并具备IP65防水防尘等级，再加上热导管与散热铝鳍片等适当的原件与合理的机构设计，经过测试灯具系统温升可低达ΔT≦12~15℃，与自然散热方法比较降温达25℃，寿命将增加2倍且光效率亮度增加10~15%以上。
LED路灯系统可靠性、耐久性 环境适应性能测试指标部分，一般LED灯具产品设计均未考虑到落尘防护系统，室外道路用灯具必需完全防止砂尘暴、胶质悬浮物、重力落尘堆积于散热结构，以避免导致LED过热烧毁之问题。若散热结构朝向天面导致落尘堆积，热累积无法发散，将可能产生LED光衰及烧毁状况。要解决以上问题，可设计采用散热结构朝向地面来因应。其它抗盐雾测试等等，鑫源盛科技现有产品经户外测试时间2万小时后，光衰＜10%、状况良好。主干道路照明光学设计亦可达到世界标准，即10公尺高灯杆必须平均照亮横幅40公尺的长型路面，解决高难度光学镜片设计，达到高宽比1:4之要求。另外核心灯芯技术模块亦达到了轻巧化，不需依赖灯壳做为散热体，因此灯体外型设计可任意变化形状，达成各城市美观特色。
做为一个高科技节能照明产业的从业人员必须认清，良好的灯具散热包含热传导、均温性、热交换等复杂的热传学传统基础硬理论为依归，并非坊间所称LED灯是冷光不发热,又有以高贵的奈米科技或航天科技等单一原件或特殊材料寻求解决。终端客户雾里看花之际，必须正视LED路灯的性能必须要有科学的数据、理论做支撑、完善的系统设计方法为方针、良好的制程为基础，最后在以第三公正单位的检测报告为依据，这样才不会一再发生光衰退货阻碍产业发展的恶性循环，台湾鑫源盛科技愿意与全世界同业共同分享多年来的研究成果以及专利技术，其中包含了强制散热、向下散热、液态散热等发明专利与数十项新型专利，共同携手照亮全世界。
管新宁先生对失败案例有自己的看法，他认为：“近年来在全球环保潮流之下，LED照明产业迅速兴起，有许多科技公司投入此新兴产业，但由于LED照明信赖性能标准未能实时订定、妥为规范，导致个别产品无法通过考验、严重光衰收场，主要原因是无设计理论性研究为检视支柱，因而造成使用业主疑虑，也因此推迟产业发展时机。为此LED照明解决方案供货商鑫源盛科技(Thermalking)，提供了高性能LED路灯多项组件至灯具系统的各项重要技术指针规格数据，供业界参考。”
LED芯片与封装组件发光效率关键技术指针部分，首要之LED芯片与封装组件关键技术，欧美、日厂商均已量产突破发光效率100~120lm/W以上，超越传统最高效率的HID光源(发光效率90~110lm/W)，解决目前LED灯具总体光效不足≧45lm/W问题，满足道路照明寿命长、光衰低，符合国际标准平均照度，达25~40Lux规格与节能30~60%需求。
LED发光效率、温升与寿命规格关键技术指针部分，检视CREE或Osram LED等业者所公布的数据，其芯片PN结工作温度Tj＜75~85℃，方能确保高于85%出光效率下工作寿命达5万小时，且芯片PN结至本身导热片(Tjs)温升为ΔT＝6~15℃之间，另外LED光效率与工作温度成反比性能特性，每升高10℃，就会导致光衰3~6%并且寿命减半的严重后果，与一般宣传LED可工作于100~125℃寿命可达10万小时以上的论点,却忽略在此条件下已造成光效率折损25~30%的观念相去甚远。
LED路灯系统热传散热环境温度关键技术指针部分，此类灯具系统工作温度不得高于85-10=75℃；台湾LED道路灯具规范CNS15233规定，耐久性试验环境温度为50℃，因此路灯散热系统温升必须小于ΔT≦25℃。以鑫源盛科技150W LED路灯为例，热传散热系统温升测试低达ΔT≦13℃，计算其热阻值Tr=0.08℃/W，而多数业界厂商设计系统温升测试ΔT≒30~40℃，计算其热阻值Tr=0.2~0.26℃/W；以相同条件下鑫源盛科技的产品较其它厂商产品寿命将增长2倍且亮度增加15%以上。另外以鑫源盛科技350W LED灯具测试，其散热系统温升仍能达成ΔT＝15℃，热阻值Tr＝0.04℃/W。
LED路灯系统热传散热关键技术部份，电子机器设备热传、散热方法有适用于小功率自然散热方法，目前如MR16/PAR30由1~70W产品，系统温升已高达30~40℃。若超过100W仍使用自然散热方法，就如同目前市面上大部分产品，必须使用大量铝合金材料增加导热量和超大的热交换面积，体积重量动辄2、30Kg，非但增加灯具成本更增添了灯杆灯具安全悬挂的风险。自然散热的定律为使用越重越大面积的金属材料来降低温度，效果越好，但仅铝合金材料成本即增加60~200元新台币/公斤，若干厂商号称使用热管或回路热管即可达到散热效果，这仅仅解决了热传导，不论是热管或者是回路热管都只有热传导的功能并没有散热的功能，若要达到良好散热必须使用相对瓦数的有效散热面积也就是必须增加大面积的金属材料来做热交换；否则必须改用工业级高信赖性冷气机空调、计算机CPU等高阶大功率产品所使用之主动强制散热方法，高效率、军规的小风扇寿命保证7万小时，并具备IP65防水防尘等级，再加上热导管与散热铝鳍片等适当的原件与合理的机构设计，经过测试灯具系统温升可低达ΔT≦12~15℃，与自然散热方法比较降温达25℃，寿命将增加2倍且光效率亮度增加10~15%以上。
LED路灯系统可靠性、耐久性 环境适应性能测试指标部分，一般LED灯具产品设计均未考虑到落尘防护系统，室外道路用灯具必需完全防止砂尘暴、胶质悬浮物、重力落尘堆积于散热结构，以避免导致LED过热烧毁之问题。若散热结构朝向天面导致落尘堆积，热累积无法发散，将可能产生LED光衰及烧毁状况。要解决以上问题，可设计采用散热结构朝向地面来因应。其它抗盐雾测试等等，鑫源盛科技现有产品经户外测试时间2万小时后，光衰＜10%、状况良好。主干道路照明光学设计亦可达到世界标准，即10公尺高灯杆必须平均照亮横幅40公尺的长型路面，解决高难度光学镜片设计，达到高宽比1:4之要求。另外核心灯芯技术模块亦达到了轻巧化，不需依赖灯壳做为散热体，因此灯体外型设计可任意变化形状，达成各城市美观特色。
做为一个高科技节能照明产业的从业人员必须认清，良好的灯具散热包含热传导、均温性、热交换等复杂的热传学传统基础硬理论为依归，并非坊间所称LED灯是冷光不发热,又有以高贵的奈米科技或航天科技等单一原件或特殊材料寻求解决。终端客户雾里看花之际，必须正视LED路灯的性能必须要有科学的数据、理论做支撑、完善的系统设计方法为方针、良好的制程为基础，最后在以第三公正单位的检测报告为依据，这样才不会一再发生光衰退货阻碍产业发展的恶性循环，台湾鑫源盛科技愿意与全世界同业共同分享多年来的研究成果以及专利技术，其中包含了强制散热、向下散热、液态散热等发明专利与数十项新型专利，共同携手照亮全世界。