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摘要:一、前言 LED又称发光二极管(Light Emitting Diode),属于半导体组件,自1962年美国通用电气公司开发出全球第一种可实际应用的红光LED开始,至今LED已迈入全彩时代。LED的发光原理简单来说是由含电洞之P型半导体与含电子之N型半导体结合成之P-N二极管,在P-N二极管两端加上顺向偏压,当电流通过时,电子与电洞流至接合面接合时会放出能量而发光 (简易图说如下)。
介绍完LED芯片基板后,接着提到同样于传递热量具有重责大任的系统电路板,LED芯片藉由焊接和系统电路板进行链接,由蕊片所产生的热能也由芯片基板传导到系统电路板,目前常用的为具有高导热系数的金属蕊基板(Metal Core PCB;MCPCB),虽然前述有提过陶瓷基板的导热性能佳,但因系统电路板之面积较大,在考虑成本因素和灯具重量等因素,多会舍弃陶瓷基板,改用MCPCB做为系统电路板。MCPCB由3层结构所构成,由上而下分别为导电线路层、高导热绝缘层和金属基板,其中高导热绝缘层的材质须慎选,若使用高膨胀系数的材质,绝缘层易在高温下膨胀而产生裂缝、空洞,反而使空气进入MCPCB中,形成额外的热阻抗,降低导热的效率,部分厂商会于导热绝缘层和金属基版间喷涂陶瓷散热漆,可提高绝缘层的绝缘阻抗、节省多层导热胶的材料成本和加强MCPCB的散热能力;最底层的金属基板多采用铝合金,利用铝合金较佳的散热特性,达到热传导的目的。
系统电路板的后端结合着散热系统进行散热,散热系统可分为主动式散热和被动式散热,主动式散热包含风扇强制散热和磁力喷流散热,被动式散热包含自然对流散热、回路热管散热,其下将一一介绍:
1.风扇强制散热:
风扇强制散热顾名思义就是藉由风扇产生空气对流,将热空气导出灯具本体外来进行散热,使用风扇强制散热可以非常有效的将热排出,在计算机、冷气及汽车中都以风扇进行强制散热,目前鑫源盛科技的S01 Glory Series LED路灯系列即采用风扇强制散热技术。
2.电磁喷流散热:
电磁喷流散热不使用风扇扇叶产生气流,其结构为一具有薄膜之中空腔体,其利用电磁或压电驱动器以每秒100~200次的频率振荡薄膜,促使薄膜进行上下振荡,随着薄膜的上下位移,空气会流入中空腔体再行喷出,喷出后的气流会带动周边空气产生涡流现象,强化空气对流能力,目前已应用于GE 27W Energy Smart LED球泡灯。
3.自然对流散热:
自然对流散热是透过散热器(例如:散热鳍片、灯具灯壳、系统电路板…等) 和空气进行直接接触,散热器周边的空气因吸收热量成为热空气,接着热空气上升,冷空气下降,自然就会带动空气产生对流,达到散热的效果。随着高功率灯具产品的推出,使用自然对流散热需有较大的散热表面积,故散热鳍片因应而生,多数加装于灯具背面,提供较大的散热面积,强化对流散热的效果,阳全光电之LED天井灯即采用鳍片自然散热技术。
散热鳍片的使用虽增加散热效果,但也增加了灯具的整体重量和成本,更增添了立杆型灯具安全悬挂的风险,此外,LED灯具常面临落尘堆积等问题,一旦经过长时间的使用,过多的脏污、灰尘累积于散热鳍片,将弱化散热能力,相较之下部分业者选择将散热鳍片设计与灯具发光面同向(向下散热),彻底避免了落尘堆积的问题,市面上由鑫源盛科技所生产的多款LED路灯(例如:S02 Orra Series、S06 Fudo Series)即采用向下自然散热设计方式。
4.回路热管散热:
此种散热方法是透过循环式的热管进行散热,回路管的两端为系统电路板(热源处)和散热器,回路管的内部则充填着工作流体,并配有蒸发器,其工作原理为:当系统电路板传来热能时,热源处的工作流体吸收热量后,经蒸发器转变为气体,利用气体移动快速的特性,热源处的热量可快速传导到灯壳或散热器,因此回路热管散热仅解决热传导问题,无法有效达到「散热」功能。

表2.灯具散热系统介绍
在灯具设计上,散热鳍片和外灯壳因暴露于空气中,为避免氧化多经过阳极处理,近年有厂商推出软陶瓷散热漆用于取代阳极处理程序,并宣称其热阻值接近金属,能达到加速导热的效能,然其成效未知,尚待业界同仁的使用与经验分享。
截至目前为止,上述探讨的都是热传导和热对流两种方式,目前有厂商宣称其陶瓷散热基板可利用远红外线型式将热辐射散出,进行远距离传热,并宣称可用于取代LED芯片基板后端的导热金属(散热鳍片、金属灯壳),达到成功散热和减轻灯具重量的成效,此技术之散热效能若真如厂商所言,也将为LED灯具的散热设计带来重大的进展。
三、结论
部分市售LED灯具的散热设计容易忽略掉一些细节,例如忽视热传导的均温性,即散热鳍片的温度分布严重不均匀,导致其中一部分的鳍片对散热作用有限,甚至没有发挥散热效果。有些设计错误则会带来危险性,尤其是LED路灯通常装设于8~12米的杆高,如果散热器重心设计不佳,可能导致重量与风阻过大,危险性增加,当遇到台风或地震将有可能导致严重意外。
鑫源盛科技管新宁副董事长曾经说过:「做为一个高科技节能照明产业的从业人员必须认清,良好的LED灯具散热(包含热传导、均温性、热交换…等)必需以复杂的热传学基础硬理论为依归………………,必须正视LED路灯的性能,必须要有科学的数据及理论做支撑、完善的系统设计方法为方针、良好的制程为基础,最后再以第三公正单位的检测报告为依据,这样才不会一再发生光衰退货阻碍产业发展的恶性循环」。
LED照明市场成长快速,预计2015年将达到200亿美元的市场规模,此外,由于日本电价高且受到311福岛地震的影响,更加加速LED灯具的需求骤增。台湾的LED产业链完善,整体产能亦高居亚洲第二,如何在争取市场的同时审慎评估自身产品的质量、研发和制程能力,做好LED灯具的散热设计经得起时间和环境考验,都是业者必须严格自我规范的重点。
| 型号 | 厂商 | 价格 |
|---|---|---|
| EPCOS | 爱普科斯 | / |
| STM32F103RCT6 | ST | ¥461.23 |
| STM32F103C8T6 | ST | ¥84 |
| STM32F103VET6 | ST | ¥426.57 |
| STM32F103RET6 | ST | ¥780.82 |
| STM8S003F3P6 | ST | ¥10.62 |
| STM32F103VCT6 | ST | ¥275.84 |
| STM32F103CBT6 | ST | ¥130.66 |
| STM32F030C8T6 | ST | ¥18.11 |
| N76E003AT20 | NUVOTON | ¥9.67 |