詳解各種LED散熱技術(shù) 洞悉LED燈具散熱策略

MCPCB是最常見(jiàn)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(dǎo)熱系數(shù)的絕緣層材料，才能使LED的熱能快速透過(guò)下層的金屬板擴(kuò)散并傳遞至散熱鰭片;反之，使用低導(dǎo)熱材料，則熱能無(wú)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(dǎo)熱孔和導(dǎo)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(dǎo)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(guò)散熱組件提高系統(tǒng)散熱效能

對(duì)于系統(tǒng)端的散熱策略，常見(jiàn)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(fēng)扇(Piezo Fans)。以下為各組件原理介紹及優(yōu)缺點(diǎn)。

散熱鰭片應(yīng)用最為普及

散熱鰭片主要是靠傳導(dǎo)與自然對(duì)流方式進(jìn)行散熱，為最常見(jiàn)的散熱方式，利用增加散熱面積與搭配風(fēng)道、開(kāi)氣孔設(shè)計(jì)，提升傳導(dǎo)和自然對(duì)流能力，缺點(diǎn)為重量和落塵堆積造會(huì)成散熱不良。常見(jiàn)的散熱鰭片種類如圖9所示。

圖9 散熱鰭片實(shí)體圖

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熱管可達(dá)成迅速散熱

熱管在計(jì)算機(jī)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，近年來(lái)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(jiǎn)單、傳熱迅速且無(wú)動(dòng)件及毋須外加電源優(yōu)點(diǎn)。因此，針對(duì)LED熱密度極高的狀況下，熱管可快速散熱。然其缺點(diǎn)有溫度范圍限制、傳熱路徑較短及受重力影響時(shí)具方向性，因此應(yīng)用在LED燈具無(wú)法將熱源有效帶至遠(yuǎn)處，即便熱管能將熱源迅速帶離開(kāi)，但仍須搭配各種散熱鰭片增加與空氣的接觸面積，進(jìn)而增加自然對(duì)流的能力(圖10)。

圖10 熱管實(shí)體圖

均溫板局限燈具外觀設(shè)計(jì)

均溫板、熱管原理與理論架構(gòu)相同，只有熱傳導(dǎo)的方向不同，熱管的熱傳導(dǎo)方式是一維的，是線的熱傳導(dǎo)方式;而均溫板的熱傳導(dǎo)方式系二維，是面的熱傳導(dǎo)方式，因此均溫板可將熱源均勻擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，以降低擴(kuò)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(jì)受限較大(圖11)。

圖11 均溫板實(shí)體圖

回路式熱管實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離熱傳導(dǎo)

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(jìn)而達(dá)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(dāng)蒸氣流經(jīng)冷卻端時(shí)，其被冷凝成液體，而加熱端內(nèi)部的毛細(xì)結(jié)構(gòu)可利用毛細(xì)力將冷凝液體帶回蒸發(fā)器，如此即可完成流體循環(huán)，達(dá)成熱能的傳遞。除一般傳統(tǒng)熱管的優(yōu)點(diǎn)外，回路式熱管最吸引人之處在于它可做長(zhǎng)距離熱量傳遞、管路可彎曲，因此極富靈活性且不受重力場(chǎng)的影響，任何方向均可操作。因此藉由回路式熱管遠(yuǎn)距離熱傳特性，將LED熱源所釋放出來(lái)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(duì)流運(yùn)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(wèn)題，進(jìn)而提升LED燈具壽命(圖12)。

圖12 應(yīng)用LHP的LED燈具實(shí)體圖

壓電風(fēng)扇適合室內(nèi)燈具應(yīng)用

相較于一般的傳統(tǒng)風(fēng)扇而言，壓電風(fēng)扇具備體積小、消耗功率小、噪音小、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)相當(dāng)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(fēng)扇則是利用壓電材料具有壓電效應(yīng)的特性來(lái)造成葉片的擺動(dòng)，造成空氣流動(dòng)來(lái)帶走LED產(chǎn)生的溫度。一般選用壓電風(fēng)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(gè)實(shí)際應(yīng)用范例，此為一個(gè)室內(nèi)燈具模塊，搭配壓電風(fēng)扇及小面積散熱鰭片，形成氣流，提高對(duì)流熱傳系數(shù)。

圖13 主動(dòng)式壓電風(fēng)扇散熱

LED以其節(jié)能及環(huán)保特點(diǎn)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(lái)說(shuō)，LED燈具能否穩(wěn)定工作?能否如外界預(yù)期的十萬(wàn)小時(shí)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(dá)成低熱阻、高功率之LED燈具，為目前LED最重要的課題之一。