详解各种LED散热技术 洞悉LED灯具散热策略

MCPCB是最常见的高功率LED散热基板，但此种基板最关键材料在于中间的介电绝缘层(Epoxy)，若是使用较高导热系数的绝缘层材料，才能使LED的热能快速透过下层的金属板扩散并传递至散热鳍片;反之，使用低导热材料，则热能无法有效传递至金属基板，形成高热阻抗，其传热性能差异如图7所示。 从图8热阻比较图中可知，若是采用FR4合并导热孔和导热材料制程，可将散热基板热阻值减少，并降低散热基板成本。

图7 不同导热材料形成的热阻值比较

图8 不同散热基板热阻值比较图

透过散热组件提高系统散热效能

对于系统端的散热策略，常见的散热组件为鳍片(Heat Sink)、热管(Heat Pipes)、均温板(Vapor Chamber)、回路式热管(Loop Heat Pipe, LHP)及压电风扇(Piezo Fans)。以下为各组件原理介绍及优缺点。

散热鳍片应用最为普及

散热鳍片主要是靠传导与自然对流方式进行散热，为最常见的散热方式，利用增加散热面积与搭配风道、开气孔设计，提升传导和自然对流能力，缺点为重量和落尘堆积造会成散热不良。常见的散热鳍片种类如图9所示。

图9 散热鳍片实体图

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热管可达成迅速散热

热管在计算机的应用相当广泛，近年来亦被应用在LED灯具，不外乎是看重其质量轻且结构简单、传热迅速且无动件及毋须外加电源优点。因此，针对LED热密度极高的状况下，热管可快速散热。然其缺点有温度范围限制、传热路径较短及受重力影响时具方向性，因此应用在LED灯具无法将热源有效带至远处，即便热管能将热源迅速带离开，但仍须搭配各种散热鳍片增加与空气的接触面积，进而增加自然对流的能力(图10)。

图10 热管实体图

均温板局限灯具外观设计

均温板、热管原理与理论架构相同，只有热传导的方向不同，热管的热传导方式是一维的，是线的热传导方式;而均温板的热传导方式系二维，是面的热传导方式，因此均温板可将热源均匀扩散开来，以降低扩散热阻。但即便均温板在灯具应用仅能为垂直方向传递，不如热管可把热往水平或垂直方向传递，所以在灯具外型设计受限较大(图11)。

图11 均温板实体图

回路式热管实现长距离热传导

回路式热管是依靠封闭式回路管内的工质，在加热端与冷却端的热交换进而达成热量传递。热量从加热端传递给工质，使工质变成蒸气。而当蒸气流经冷却端时，其被冷凝成液体，而加热端内部的毛细结构可利用毛细力将冷凝液体带回蒸发器，如此即可完成流体循环，达成热能的传递。除一般传统热管的优点外，回路式热管最吸引人之处在于它可做长距离热量传递、管路可弯曲，因此极富灵活性且不受重力场的影响，任何方向均可操作。因此藉由回路式热管远距离热传特性，将LED热源所释放出来的热藉由铜管回路传递至灯壳上(散热板)，并利用大面积灯壳表面与空气接触，在自然对流运作下，毋须借助任何额外电力，可不断循环散热，有效解决散热的问题，进而提升LED灯具寿命(图12)。

图12 应用LHP的LED灯具实体图

压电风扇适合室内灯具应用

相较于一般的传统风扇而言，压电风扇具备体积小、消耗功率小、噪音小、长寿命等优点，这些优点相当适用于现在室内LED灯具散热所需的低功率、低噪音和不占空间的要求。而压电风扇则是利用压电材料具有压电效应的特性来造成叶片的摆动，造成空气流动来带走LED产生的温度。一般选用压电风扇性能参数在于其压电参数、扇叶厚度和黏合胶(Bonding Glue)之不同。图13显示一个实际应用范例，此为一个室内灯具模块，搭配压电风扇及小面积散热鳍片，形成气流，提高对流热传系数。

图13 主动式压电风扇散热

LED以其节能及环保特点有着广阔的应用空间，在照明领域中，LED发光产品的应用正吸引世人目光，一般来说，LED灯具能否稳定工作?能否如外界预期的十万小时寿命?此与芯片至灯具的散热息息相关。综观上述各种散热技术，不难发现LED的散热技术日益多元化。应用在高功率LED灯具的散热技术，也不再是单一选择或单一应用。如何巧妙搭配各种散热技术，使其达成低热阻、高功率之LED灯具，为目前LED最重要的课题之一。