散热方式会受LED灯泡需求环境不同而有所变化

工研院绿能所研究员 简国祥。

由于当LED灯泡的操作温度提高时，其寿命及发光效率均会下降，而产生色偏与光衰的程度则会提高，并对于LED照明会造成相当不良的影响，因此工业技术研究院绿能与环境研究所先进照明关键技术研究室研究员简国祥表示，如何在LED灯泡有限的空间之中，以最有效率的方式进行散热，长期以来一直都是LED照明业者研发设计的重点。

一般来说，LED灯泡中的二极管在发光时所产生的废热，会通过Slug、Board…等多个零组件的引导之后，再排放到周围的大气环境中，「热量传送在二极管与Slug、Slug与Board之间，主要靠的是热传导型式，至于由Board传送到大气环境中，则是有热传导、热对流及热幅射3种。」简国祥表示，LED照明业者在规划产品的散热设计时，可先对此传导过程进行散热分析，藉以计算出每一段环节中的热阻值大小，然后再针对表现较差的部分加以改善。「这样解决散热问题的做法会比较能看出成效。」

分析热传导形式 解决LED散热问题

以热传导效率的改善为例，「我们可以透过设法增加Slug/Board的几何尺寸面积，亦或是直接选用高导热材料来制作散热元件的方式来进行，以降低该部分的热阻值。」而对于二极管与Slug、Slug与Board之间因面积大小差异、温度分布不均而所衍生出的扩散热阻问题，简国祥则建议可由减少面积比、增加元件底板厚度、提高材料本身的热传导系数，以及强化热对流效果…等层面来下手。「增加底板厚度是较为常见的做法。」简国祥说：「当其厚度增加时，因面积比所造成的差异效应便可缩小，热往垂直方向与向两旁水平扩散的速度会更趋于一致，从而使得其扩散热阻问题的影响变小。」

如果受限于空间的考量，底板厚度无法再增加时，业者或许也可透过增加热导管…等方式，强化底板横向的热传导系数，以缩短垂直与水平方向热传导的差异。「这表示底板厚度薄时，增加其横向热传导系数的效益也就越高。」不过简国祥也补充：「虽然厚度增加会减少扩散热阻，但相对也会使一维热阻值增加。」业者必须要透过实验与计算的方式，设法在此两者之间取得平衡，以找出底部最佳的厚度。但一般来说，当二极管与Slug、Slug与Board之间的面积差异越大时，最佳厚度也会有跟着增加的趋势。

至于在热对流方面，除了因所处环境的需求，必须利用风扇…等方式进行强制对流之外，一般业者为避免增加其产品散热元件体积及制造成本，通常都会采用自然对流的方式设计。简国祥表示：「当Board几何面积越大，或热对流系数越高时，其热对流的热阻值就越小。」但不幸的是，通常Board几何面积越大时，热对流系数则相对越差。因此人们在规划LED灯泡布局时，一般会取其Board的几何面积与热对流系数相乘之后的最大值来进行设计。

另外对于散热鳍片的设计，由于其热量会由底部传至尾端的方式进行散热，因此其热传导系数、热对流系数与厚度值，都会影响散热鳍片的最适尺寸。在一般的情况下，当散热鳍片厚度、热传导系数越高时，鳍片散热效率就越好；而相对而言，当热对流系数越高时，鳍片散热效率会越差。「这也就是说，如果热对流效果很好时，散热鳍片所需要的尺寸便越小。」因此一般采自然对流的散热鳍片通常会比较高大，而鳍片与鳍片之间所应保持的距离也会越宽。

LED灯泡散热处理 需切合实际应用需求

除了上述的热传导及热对流外，热幅射也是LED灯泡散热的一项重要机制。简国祥说：「热幅射的效果好坏与材料的表面状况有关。」以散热鳍片为例子，在大小及间隔固定的条件下，其铝材质表面是否有抛光，还是已经被氧化，对于其热幅射效果就有很大的差异。另一方面，也由于热幅射表面必须要有温差，并且能直接看到彼此，才能进行热传，因此对于某些款式的灯具，热幅射的散热效果，有时甚至比其他两种更好。

简国祥表示：「不同的灯具设计及照明需求，所应采用的散热技术也会有所差异。」像是发光效率、半导体材质、光源分布状况、热量传输的距离、外部所能接触到的气流环境…等变量，对于灯具散热元件的设计即有很大的影响。举例来说，若LED灯泡的发光效率能够提升至90%，让电流转换成的热量减少，或是所采用的半导体元件材料在较高温度下仍可正常运作，自然便能缩小散热元件所需占用的面积。「而有的灯具(如嵌灯)会处于相对密闭的空间，有些(如投射灯)则可直接曝露在大气或冷房环境之下。」因此具体的LED灯泡散热处理设计方式，应该要视其需求与所处状况而定。