詳解各種LED散熱技術 洞悉LED燈具散熱策略

MCPCB是最常見的高功率LED散熱基板，但此種基板最關鍵材料在于中間的介電絕緣層(Epoxy)，若是使用較高導熱系數的絕緣層材料，才能使LED的熱能快速透過下層的金屬板擴散并傳遞至散熱鰭片;反之，使用低導熱材料，則熱能無法有效傳遞至金屬基板，形成高熱阻抗，其傳熱性能差異如圖7所示。 從圖8熱阻比較圖中可知，若是采用FR4合并導熱孔和導熱材料制程，可將散熱基板熱阻值減少，并降低散熱基板成本。

圖7 不同導熱材料形成的熱阻值比較

圖8 不同散熱基板熱阻值比較圖

透過散熱組件提高系統散熱效能

對于系統端的散熱策略，常見的散熱組件為鰭片(Heat Sink)、熱管(Heat Pipes)、均溫板(Vapor Chamber)、回路式熱管(Loop Heat Pipe, LHP)及壓電風扇(Piezo Fans)。以下為各組件原理介紹及優缺點。

散熱鰭片應用最為普及

散熱鰭片主要是靠傳導與自然對流方式進行散熱，為最常見的散熱方式，利用增加散熱面積與搭配風道、開氣孔設計，提升傳導和自然對流能力，缺點為重量和落塵堆積造會成散熱不良。常見的散熱鰭片種類如圖9所示。

圖9 散熱鰭片實體圖

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熱管可達成迅速散熱

熱管在計算機的應用相當廣泛，近年來亦被應用在LED燈具，不外乎是看重其質量輕且結構簡單、傳熱迅速且無動件及毋須外加電源優點。因此，針對LED熱密度極高的狀況下，熱管可快速散熱。然其缺點有溫度范圍限制、傳熱路徑較短及受重力影響時具方向性，因此應用在LED燈具無法將熱源有效帶至遠處，即便熱管能將熱源迅速帶離開，但仍須搭配各種散熱鰭片增加與空氣的接觸面積，進而增加自然對流的能力(圖10)。

圖10 熱管實體圖

均溫板局限燈具外觀設計

均溫板、熱管原理與理論架構相同，只有熱傳導的方向不同，熱管的熱傳導方式是一維的，是線的熱傳導方式;而均溫板的熱傳導方式系二維，是面的熱傳導方式，因此均溫板可將熱源均勻擴散開來，以降低擴散熱阻。但即便均溫板在燈具應用僅能為垂直方向傳遞，不如熱管可把熱往水平或垂直方向傳遞，所以在燈具外型設計受限較大(圖11)。

圖11 均溫板實體圖

回路式熱管實現長距離熱傳導

回路式熱管是依靠封閉式回路管內的工質，在加熱端與冷卻端的熱交換進而達成熱量傳遞。熱量從加熱端傳遞給工質，使工質變成蒸氣。而當蒸氣流經冷卻端時，其被冷凝成液體，而加熱端內部的毛細結構可利用毛細力將冷凝液體帶回蒸發器，如此即可完成流體循環，達成熱能的傳遞。除一般傳統熱管的優點外，回路式熱管最吸引人之處在于它可做長距離熱量傳遞、管路可彎曲，因此極富靈活性且不受重力場的影響，任何方向均可操作。因此藉由回路式熱管遠距離熱傳特性，將LED熱源所釋放出來的熱藉由銅管回路傳遞至燈殼上(散熱板)，并利用大面積燈殼表面與空氣接觸，在自然對流運作下，毋須借助任何額外電力，可不斷循環散熱，有效解決散熱的問題，進而提升LED燈具壽命(圖12)。

圖12 應用LHP的LED燈具實體圖

壓電風扇適合室內燈具應用

相較于一般的傳統風扇而言，壓電風扇具備體積小、消耗功率小、噪音小、長壽命等優點，這些優點相當適用于現在室內LED燈具散熱所需的低功率、低噪音和不占空間的要求。而壓電風扇則是利用壓電材料具有壓電效應的特性來造成葉片的擺動，造成空氣流動來帶走LED產生的溫度。一般選用壓電風扇性能參數在于其壓電參數、扇葉厚度和黏合膠(Bonding Glue)之不同。圖13顯示一個實際應用范例，此為一個室內燈具模塊，搭配壓電風扇及小面積散熱鰭片，形成氣流，提高對流熱傳系數。

圖13 主動式壓電風扇散熱

LED以其節能及環保特點有著廣闊的應用空間，在照明領域中，LED發光產品的應用正吸引世人目光，一般來說，LED燈具能否穩定工作?能否如外界預期的十萬小時壽命?此與芯片至燈具的散熱息息相關。綜觀上述各種散熱技術，不難發現LED的散熱技術日益多元化。應用在高功率LED燈具的散熱技術，也不再是單一選擇或單一應用。如何巧妙搭配各種散熱技術，使其達成低熱阻、高功率之LED燈具，為目前LED最重要的課題之一。