由于當(dāng)LED燈泡的操作溫度提高時(shí)，其壽命及發(fā)光效率均會(huì)下降，而產(chǎn)生色偏與光衰的程度則會(huì)提高，并對(duì)于LED照明會(huì)造成相當(dāng)不良的影響，因此如何在LED燈泡有限的空間之中，以最有效率的方式進(jìn)行散熱，長(zhǎng)期以來(lái)一直都是LED照明業(yè)者研發(fā)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
一般來(lái)說(shuō)，LED燈泡中的二極管在發(fā)光時(shí)所產(chǎn)生的廢熱，會(huì)通過(guò)Slug、Board…等多個(gè)零組件的引導(dǎo)之后，再排放到周?chē)拇髿猸h(huán)境中，熱量傳送在二極管與Slug、Slug與Board之間，主要靠的是熱傳導(dǎo)型式，至于由Board傳送到大氣環(huán)境中，則是有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱幅射3種。LED照明業(yè)者在規(guī)劃產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)時(shí)，可先對(duì)此傳導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行散熱分析，借以計(jì)算出每一段環(huán)節(jié)中的熱阻值大小，然后再針對(duì)表現(xiàn)較差的部分加以改善。這樣解決散熱問(wèn)題的做法會(huì)比較能看出成效。
分析熱傳導(dǎo)形式 解決LED散熱問(wèn)題
以熱傳導(dǎo)效率的改善為例，我們可以透過(guò)設(shè)法增加Slug/Board的幾何尺寸面積，亦或是直接選用高導(dǎo)熱材料來(lái)制作散熱元件的方式來(lái)進(jìn)行，以降低該部分的熱阻值。而對(duì)于二極管與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(kuò)散熱阻問(wèn)題，簡(jiǎn)國(guó)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(dǎo)系數(shù)，以及強(qiáng)化熱對(duì)流效果…等層面來(lái)下手。增加底板厚度是較為常見(jiàn)的做法。當(dāng)其厚度增加時(shí)，因面積比所造成的差異效應(yīng)便可縮小，熱往垂直方向與向兩旁水平擴(kuò)散的速度會(huì)更趨于一致，從而使得其擴(kuò)散熱阻問(wèn)題的影響變小。
如果受限于空間的考量，底板厚度無(wú)法再增加時(shí)，業(yè)者或許也可透過(guò)增加熱導(dǎo)管…等方式，強(qiáng)化底板橫向的熱傳導(dǎo)系數(shù)，以縮短垂直與水平方向熱傳導(dǎo)的差異。這表示底板厚度薄時(shí)，增加其橫向熱傳導(dǎo)系數(shù)的效益也就越高。雖然厚度增加會(huì)減少擴(kuò)散熱阻，但相對(duì)也會(huì)使一維熱阻值增加。業(yè)者必須要透過(guò)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算的方式，設(shè)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(lái)說(shuō)，當(dāng)二極管與Slug、Slug與Board之間的面積差異越大時(shí)，最佳厚度也會(huì)有跟著增加的趨勢(shì)。
至于在熱對(duì)流方面，除了因所處環(huán)境的需求，必須利用風(fēng)扇…等方式進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流之外，一般業(yè)者為避免增加其產(chǎn)品散熱元件體積及制造成本，通常都會(huì)采用自然對(duì)流的方式設(shè)計(jì)。當(dāng)Board幾何面積越大，或熱對(duì)流系數(shù)越高時(shí)，其熱對(duì)流的熱阻值就越小。但不幸的是，通常Board幾何面積越大時(shí)，熱對(duì)流系數(shù)則相對(duì)越差。因此人們?cè)谝?guī)劃LED燈泡布局時(shí)，一般會(huì)取其Board的幾何面積與熱對(duì)流系數(shù)相乘之后的最大值來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
另外對(duì)于散熱鰭片的設(shè)計(jì)，由于其熱量會(huì)由底部傳至尾端的方式進(jìn)行散熱，因此其熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱對(duì)流系數(shù)與厚度值，都會(huì)影響散熱鰭片的最適尺寸。在一般的情況下，當(dāng)散熱鰭片厚度、熱傳導(dǎo)系數(shù)越高時(shí)，鰭片散熱效率就越好；而相對(duì)而言，當(dāng)熱對(duì)流系數(shù)越高時(shí)，鰭片散熱效率會(huì)越差。這也就是說(shuō)，如果熱對(duì)流效果很好時(shí)，散熱鰭片所需要的尺寸便越小。因此一般采自然對(duì)流的散熱鰭片通常會(huì)比較高大，而鰭片與鰭片之間所應(yīng)保持的距離也會(huì)越寬。
LED燈泡散熱處理 需切合實(shí)際應(yīng)用需求
除了上述的熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流外，熱幅射也是LED燈泡散熱的一項(xiàng)重要機(jī)制。熱幅射的效果好壞與材料的表面狀況有關(guān)。以散熱鰭片為例子，在大小及間隔固定的條件下，其鋁材質(zhì)表面是否有拋光，還是已經(jīng)被氧化，對(duì)于其熱幅射效果就有很大的差異。另一方面，也由于熱幅射表面必須要有溫差，并且能直接看到彼此，才能進(jìn)行熱傳，因此對(duì)于某些款式的燈具，熱幅射的散熱效果，有時(shí)甚至比其它兩種更好。
不同的燈具設(shè)計(jì)及照明需求，所應(yīng)采用的散熱技術(shù)也會(huì)有所差異。象是發(fā)光效率、半導(dǎo)體材質(zhì)、光源分布狀況、熱量傳輸?shù)木嚯x、外部所能接觸到的氣流環(huán)境…等變量，對(duì)于燈具散熱元件的設(shè)計(jì)即有很大的影響。舉例來(lái)說(shuō)，若LED燈泡的發(fā)光效率能夠提升至90%，讓電流轉(zhuǎn)換成的熱量減少，或是所采用的半導(dǎo)體元件材料在較高溫度下仍可正常運(yùn)行，自然便能縮小散熱元件所需占用的面積。“而有的燈具(如嵌燈)會(huì)處于相對(duì)密閉的空間，有些(如投射燈)則可直接曝露在大氣或冷房環(huán)境之下。”因此具體的LED燈泡散熱處理設(shè)計(jì)方式，應(yīng)該要視其需求與所處狀況而定。