詳解各種LED散熱技術(shù) 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(guān)鍵材料在于中間的介電絕緣層(Epoxy)，若是使用較高導熱系數(shù)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(tǒng)散熱效能

對于系統(tǒng)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(yōu)缺點。

散熱鰭片應(yīng)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(shè)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(yīng)用相當廣泛，近年來亦被應(yīng)用在LED燈具，不外乎是看重其質(zhì)量輕且結(jié)構(gòu)簡單、傳熱迅速且無動件及毋須外加電源優(yōu)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(yīng)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(shè)計

均溫板、熱管原理與理論架構(gòu)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(yīng)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(shè)計受限較大(圖11)。

圖11 均溫板實體圖

回路式熱管實現(xiàn)長距離熱傳導

回路式熱管是依靠封閉式回路管內(nèi)的工質(zhì)，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(zhì)，使工質(zhì)變成蒸氣。而當蒸氣流經(jīng)冷卻端時，其被冷凝成液體，而加熱端內(nèi)部的毛細結(jié)構(gòu)可利用毛細力將冷凝液體帶回蒸發(fā)器，如此即可完成流體循環(huán)，達成熱能的傳遞。除一般傳統(tǒng)熱管的優(yōu)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(huán)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(yīng)用LHP的LED燈具實體圖

壓電風扇適合室內(nèi)燈具應(yīng)用

相較于一般的傳統(tǒng)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(yōu)點，這些優(yōu)點相當適用于現(xiàn)在室內(nèi)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(yīng)的特性來造成葉片的擺動，造成空氣流動來帶走LED產(chǎn)生的溫度。一般選用壓電風扇性能參數(shù)在于其壓電參數(shù)、扇葉厚度和黏合膠(Bonding Glue)之不同。圖13顯示一個實際應(yīng)用范例，此為一個室內(nèi)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(shù)。

圖13 主動式壓電風扇散熱

LED以其節(jié)能及環(huán)保特點有著廣闊的應(yīng)用空間，在照明領(lǐng)域中，LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引世人目光，一般來說，LED燈具能否穩(wěn)定工作?能否如外界預(yù)期的十萬小時壽命?此與芯片至燈具的散熱息息相關(guān)。綜觀上述各種散熱技術(shù)，不難發(fā)現(xiàn)LED的散熱技術(shù)日益多元化。應(yīng)用在高功率LED燈具的散熱技術(shù)，也不再是單一選擇或單一應(yīng)用。如何巧妙搭配各種散熱技術(shù)，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。