LED燈具散熱設計問題分析

前言：IT科技的終端產品：PC/NB等相對於LED的終端產品：背光/燈具中，許多散熱模組或是散熱模式的設計，雖都有基礎的共通原理，不過仔細分析，燈具為最難設計並可獨立為一類特殊化的產品，因使用環境與IT或背光應用差異甚大，需注意的設計要素複雜多元。

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LED模組在散熱設計上與IT類產品的散熱設計上的差異，最主要在於使用環境不同，特別是LED終端產品為燈具時，差異性更大。傳統電子產品多數使用於室內空間，就算是可攜式裝置亦同，其操作環境的溫度變化、沙塵量、溼度與周圍氣流的變化，皆不及戶外或一般室內燈具使用環境的嚴苛程度。

例如LED燈具必須要能夠在戶外環境，達到克服波長飄移、光衰變化、沙塵侵襲、水氣虹吸現象，以及符合工安與法規的訴求。150W的LED燈具若使用傳統自然散熱方式，藉由燈具表面面積接觸空氣散熱，每瓦熱阻值達0.5~1.16℃/W，溫度將升達60~139℃/W，再加上室外可能40℃環境溫度，很容易故障燒毀；且燈具散熱鰭片裸露在外且為了增加散熱表面積燈具本身的體積與重量將非常龐大，很容易累積沙塵阻斷散熱途徑進而喪失散熱效能。

所以，當LED做為燈具光源應用時，必須做以下多項散熱設計考量，包刮散熱模組與燈具本身：(1)LED燈粒與產品操作溫度、(2)溫升與熱均勻性的影響、(3)日照曝曬容忍能力、(4)自然對流散熱還是強制對流散熱、(5)體積與重量考量，例如路燈的安全性、(6)量產製程設計、(7)防塵與防水考量、(8)抗風阻能力的設計。

前述各項因素，放到實務上檢驗，就會發現許多LED燈具散熱模組或是設計的存在的問題，例如散熱鰭片面積未經熱流分析計算而隨意設定；燈具散熱鰭片的佈置方式不合理，沒有考慮到燈具的使用方式，影響到鰭片散熱效果的發揮。

還有一些設計強調散熱技術中的傳導環節，卻忽視對流散熱環節，例如許多廠商設計了各式各樣的散熱模組如熱管、迴路熱管、加導熱矽脂等等，卻沒有注意到熱量最終還是要靠燈具的外表面積將熱散走，結果外部成了「阻熱」模組。例如有的廠商開發的燈具為了要抗酸鹼、防氧化，就在燈具外裝上噴上烤漆，結果卻又把LED的高熱封住無法散出，造成LED燈具壽命減短效能大失。

有些散熱設計則是某散熱細節被忽略或設計錯誤，如忽視傳熱的均衡性，例如散熱鰭片的溫度分佈嚴重不均勻，導致其中一部分的鰭片，即溫度較低的部份，對散熱作用有限，甚至沒有發揮散熱效果。有些設計錯誤則會帶來危險性，例如 LED路燈散熱技術，可能使用多為導熱板方式，例如一片5mm厚的銅板，把熱源均溫掉，但是路燈可能高達8公尺，如果散熱片重心設計不佳，可能導致重量與風阻過大，危險性增加，特別是遇到颱風與地震的情況，都可能導致意外。

在實務設計上，各家廠商都有獨家技術，不過以整體產業面來看，似乎尚欠缺明確的標準與規範可以中立正確的判斷出燈具的散熱性能優劣，讓廠商與消費者都無法遵循或據以研判，恐怕才是LED燈具產業在散熱設計上，必須首先解決的問題。