隨著LED材料及封裝技術的不斷進步，促使LED產品發光效率不斷提高，其產品應用已涵蓋可攜式產品、看板、顯示器背光源、汽車、照明及投射燈源等領域，市場規模及成長動力相當可觀，是各國政府未來積極推動的重點產業。但伴隨高亮度、高功率LED的發展及高密度封裝的應用趨勢，其散熱問題如同CPU的發展，也面臨愈來愈嚴峻的考驗，如不適時解決，將影響LED 的壽命及發光強度。雖然LEDEmitter 發光效率已進展至80~100 lm/W，甚至120 lm/W以上，但其輸入功率仍有絕大部分(70~80%)轉換成熱，因此LED的熱管理問題仍是業者重視的課題。目前應用於電腦的許多散熱材料及元件均能導入LED產品的散熱，如散熱片、散熱塗料、熱界面材料、熱管、平板熱管及迴路型熱管等。由於台灣在電腦散熱模組及散熱元件的設計及生產製造居全球第一，這些上中下游產業結構完整的散熱技術與能力，將足以支援國內LED 產業的發展，提供最適化的LED熱解決方案。
散熱材料
1. 散熱片
散熱片是最常使用的LED 散熱元件，主要是由一底板及鰭片所組成，材質則以熱傳導率較高的金屬為主，如鋁合金(K=96~200 W/m•K)及純銅(K~380 W/m•K)。散熱片的製程技術發展由來已久，技術也相當成熟，包括鋁擠型(Extrusion)與鋁壓鑄(Die Casting)、衝壓(Stamping)、鍛造(Forging)、折彎(Folding)、刨床(Skiving)和機械精密加工(Machining)，乃至金屬粉末射出(Metal Mold Injection)等製程。表一為各種散熱片製程之適用材料與優缺點比較。以下介紹LED燈具較普遍使用的散熱片。
(1)鋁擠型散熱片(Extruded Heat Sink)
鋁擠型製程係將鋁擠型錠預熱至520~540°C後，在高壓下流經400°C左右的擠型模具，做出連續平行溝槽的散熱片初胚，接著再二次加工將條狀初胚裁剪、剖溝成一個個散熱片。鋁擠型散熱片由於具有生產成本、技術門檻及模具開發費用低和開發期短等優點，且其使用的鋁擠型材料主要為A6063，具有良好的熱傳導率(160~180 W/m•K)與加工性，適合大面積用途，因此是目前最被廣為使用的散熱片製程。
(3)衝壓型散熱片(Stamping Heat Sink)
衝壓型散熱片的製作是將軋延的鋁捲片或銅捲片（厚度最薄可達0.2 mm）利用連續衝壓設備及模具直接衝出一片片的散熱鰭片，這些衝壓鰭片彼此之間透過設計可以扣接在一起，而成整組的散熱鰭片。衝壓的散熱鰭片再與擠型件、散熱片底板(Base Plate)以錫焊或Swaging製程接合而成散熱片。
2. 散熱塗料
散熱塗料是在漆類的有機溶劑中添加黏結劑及微奈米等級的陶瓷粉體或金屬粉體，均勻混合後以噴槍或浸泡等方式塗覆在鋁散熱片表面，陰乾或烘乾後在表面覆上一層具附著性的多孔性陶瓷薄膜（厚度約數十微米），這些陶瓷粉體有氧化鋁、氧化鋅、氧化鈦、氮化硼、碳化矽等。根據業者的測試數據顯示，有散熱塗料的散熱片，其散熱效能約可提升5~10%左右，甚至宣稱可提升10~15%（SiC 散熱塗料），可使LED 界面溫度平均下降5~7°C。圖七(a)為鋁散熱片的熱輻射率，約為4.7%，但經噴塗散熱塗料後，其熱輻射率提高至91.2%（圖七(a)），顯見散熱塗料對鋁散熱片的表面熱輻射率的確有明顯提升的效果。圖八為一5W LED 接合在無散熱塗料及有散熱塗料鋁平板的LED界面溫度比較，無散熱塗料LED 之界面溫度達80°C，有噴塗散熱塗料則降低至65°C。
圖八、5W LED 接合於無散熱塗料及有散熱塗料鋁板的LED 界面溫度比較
高傳熱元件
除了上述的散熱材料之外，由於LED為一高熱流密度的點光源，其熱流密度高達100 W/cm2以上，僅靠金屬或陶瓷散熱材料仍有所不足，無法將熱點快速擴散，因此藉由氣液相轉換的高熱傳元件，也被適度地導入在LED 散熱上，包括熱管、平板熱管及迴路型熱管，茲簡單介紹如下。
1. 熱管
熱管是利用兩相變化（液、汽）及蒸汽流動的一種熱傳遞裝置，主要是由抽真空的封閉金屬管、毛細結構及工作流體所組成，如圖九所示。通常將熱管依物理特性分成蒸發、絕熱及冷凝等三段，與熱源接觸的一端稱為蒸發段，蒸汽流動區域無明顯溫差的一端稱為絕熱段，而與冷卻端（如散熱鰭片）接觸且使氣相凝結成液相的一端稱為冷凝段。熱管的工作原理為當熱管的蒸發段與熱源接觸後，金屬管內填充的工作流體受熱升溫，吸收汽化潛熱變成蒸氣。由於蒸發段的蒸氣壓力高於冷凝段，因此兩端形成壓力差，驅動蒸汽從蒸發段流向冷凝段。蒸汽在冷凝段接觸散熱鰭片放出熱量變成液相，並藉由金屬管壁內毛細結構所產生的毛細力，將冷凝液由冷凝段抽回到蒸發段，即完成一個工作循環。只要毛細結構所產生的毛細力大於熱管內的總壓降，熱管即能正常工作。
圖九、熱管工作原理
3. 迴路式熱管(Loop Heat Pipe)
除了熱管及平板熱管均利用汽液雙相流來達到傳熱效果之外，另一種具有更高熱傳量及長距離傳熱就是迴路式熱管。其可分為蒸發器(Evaporator)、冷凝器(Condenser)、補償室(Compensation Chamber)、蒸汽段(Vapor Line)、液體段(Liquid Line)等部分，其中僅蒸發器及補償室具有毛細結構，其餘元件均為光滑的圓管，如圖十四所示。毛細結構為利用其細微孔徑產生高的毛細力，以推動工作流體循環。當加熱於蒸發器管壁時，使蒸發器管壁與毛細結構間之液汽介面產生蒸汽，且此蒸汽藉由毛細結構內之彎月型液面所產生的毛細力推動經過蒸汽段至冷凝器，此時蒸汽在冷凝器內凝結且毛細力持續將冷凝之液體推回蒸發器，即完成一循環，而補償室用來儲存過多的液體並控制迴路之操作溫度……以上內容為重點摘錄，如欲詳細全文請見原文
作者：黃振東/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌281期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=8538