散熱方式會受LED燈泡需求環境不同而有所變化

工研院綠能所研究員 簡國祥。

由於當LED燈泡的操作溫度提高時，其壽命及發光效率均會下降，而產生色偏與光衰的程度則會提高，並對於LED照明會造成相當不良的影響，因此工業技術研究院綠能與環境研究所先進照明關鍵技術研究室研究員簡國祥表示，如何在LED燈泡有限的空間之中，以最有效率的方式進行散熱，長期以來一直都是LED照明業者研發設計的重點。

一般來說，LED燈泡中的二極體在發光時所產生的廢熱，會通過Slug、Board…等多個零組件的引導之後，再排放到周圍的大氣環境中，「熱量傳送在二極體與Slug、Slug與Board之間，主要靠的是熱傳導型式，至於由Board傳送到大氣環境中，則是有熱傳導、熱對流及熱幅射3種。」簡國祥表示，LED照明業者在規劃產品的散熱設計時，可先對此傳導過程進行散熱分析，藉以計算出每一段環節中的熱阻值大小，然後再針對表現較差的部分加以改善。「這樣解決散熱問題的做法會比較能看出成效。」

分析熱傳導形式 解決LED散熱問題

以熱傳導效率的改善為例，「我們可以透過設法增加Slug/Board的幾何尺寸面積，亦或是直接選用高導熱材料來製作散熱元件的方式來進行，以降低該部分的熱阻值。」而對於二極體與Slug、Slug與Board之間因面積大小差異、溫度分布不均而所衍生出的擴散熱阻問題，簡國祥則建議可由減少面積比、增加元件底板厚度、提高材料本身的熱傳導係數，以及強化熱對流效果…等層面來下手。「增加底板厚度是較為常見的做法。」簡國祥說：「當其厚度增加時，因面積比所造成的差異效應便可縮小，熱往垂直方向與向兩旁水平擴散的速度會更趨於一致，從而使得其擴散熱阻問題的影響變小。」

如果受限於空間的考量，底板厚度無法再增加時，業者或許也可透過增加熱導管…等方式，強化底板橫向的熱傳導係數，以縮短垂直與水平方向熱傳導的差異。「這表示底板厚度薄時，增加其橫向熱傳導係數的效益也就越高。」不過簡國祥也補充：「雖然厚度增加會減少擴散熱阻，但相對也會使一維熱阻值增加。」業者必須要透過實驗與計算的方式，設法在此兩者之間取得平衡，以找出底部最佳的厚度。但一般來說，當二極體與Slug、Slug與Board之間的面積差異越大時，最佳厚度也會有跟著增加的趨勢。

至於在熱對流方面，除了因所處環境的需求，必須利用風扇…等方式進行強制對流之外，一般業者為避免增加其產品散熱元件體積及製造成本，通常都會採用自然對流的方式設計。簡國祥表示：「當Board幾何面積越大，或熱對流係數越高時，其熱對流的熱阻值就越小。」但不幸的是，通常Board幾何面積越大時，熱對流係數則相對越差。因此人們在規劃LED燈泡布局時，一般會取其Board的幾何面積與熱對流係數相乘之後的最大值來進行設計。

另外對於散熱鰭片的設計，由於其熱量會由底部傳至尾端的方式進行散熱，因此其熱傳導係數、熱對流係數與厚度值，都會影響散熱鰭片的最適尺寸。在一般的情況下，當散熱鰭片厚度、熱傳導係數越高時，鰭片散熱效率就越好；而相對而言，當熱對流係數越高時，鰭片散熱效率會越差。「這也就是說，如果熱對流效果很好時，散熱鰭片所需要的尺寸便越小。」因此一般採自然對流的散熱鰭片通常會比較高大，而鰭片與鰭片之間所應保持的距離也會越寬。

LED燈泡散熱處理 需切合實際應用需求

除了上述的熱傳導及熱對流外，熱幅射也是LED燈泡散熱的一項重要機制。簡國祥說：「熱幅射的效果好壞與材料的表面狀況有關。」以散熱鰭片為例子，在大小及間隔固定的條件下，其鋁材質表面是否有拋光，還是已經被氧化，對於其熱幅射效果就有很大的差異。另一方面，也由於熱幅射表面必須要有溫差，並且能直接看到彼此，才能進行熱傳，因此對於某些款式的燈具，熱幅射的散熱效果，有時甚至比其他兩種更好。

簡國祥表示：「不同的燈具設計及照明需求，所應採用的散熱技術也會有所差異。」像是發光效率、半導體材質、光源分布狀況、熱量傳輸的距離、外部所能接觸到的氣流環境…等變數，對於燈具散熱元件的設計即有很大的影響。舉例來說，若LED燈泡的發光效率能夠提升至90%，讓電流轉換成的熱量減少，或是所採用的半導體元件材料在較高溫度下仍可正常運作，自然便能縮小散熱元件所需佔用的面積。「而有的燈具(如嵌燈)會處於相對密閉的空間，有些(如投射燈)則可直接曝露在大氣或冷房環境之下。」因此具體的LED燈泡散熱處理設計方式，應該要視其需求與所處狀況而定。