車輛中心 CAE工程分析中心 賴文光

LED的優點包括節能、環保、體積小、壽命長等，相信這些都已廣為人知了，但LED無法長時間處於過熱的溫度下，否則其壽命將大大降低。雖然LED的封裝熱阻有逐年改善的趨勢，但隨著高功率LED使用，LED目前似乎仍無法擺脫熱的問題。LED大致上的外觀，如圖一所示。

　

圖1 LED外觀

以目前LED常用的散熱技術，包括了散熱鰭片、熱管及風扇的方式，如圖2所示。使用風扇有其必須克服的技術，包括額外的電源、噪音及可靠度，倘若風扇突然故障，可能的後果就是造成LED損毀。

圖2 常用散熱元件

因此目前車燈的散熱模組主要還是以散熱鰭片或散熱鰭片加熱管為主要的散熱方式。LED的壽命與Junction溫度〈LED晶體與封裝體界面溫度〉有很大的關係，大致上隨Junction溫度的降低而有較長的壽命。一般而言，LED車燈的壽命設定在20,000小時以上，而LED路燈則在50,000小時以上。LED路燈的散熱模組通常較大，因此功率低於100W之情況下，通常有良好的散熱鰭片設計即可。若高於100W時，通常會建議搭配熱管的設計，以提高傳熱效率。熱管內部主要以兩相流的方式作動，如圖3所示。工作液體先在蒸發端吸熱後往另一端〈凝結端〉移動，待熱散去後凝結為液體，再靠著毛細現象將工作液體拉回至蒸發端，如此反覆循環作動。依功率的大小、外型複雜程度及功能又分為傳統式熱管(Heat Pipe)、迴路式熱管(Loop Heat Pipe)及均熱板(Vapor Chamber)。
　

圖3 熱管作動示意圖

傳統式熱管傳遞熱的能量較低〈幾十瓦〉，傳熱距離較短，主要以一維的形狀存在。而迴路式熱管可傳遞幾百瓦的熱，傳熱距離較長且外形可隨燈具而變化，補足傳統式熱管的不足。均熱板的功能是使平板各部位快速達到均溫的狀態，避免熱集中現象。以上的散熱效果皆可用數值模擬的方式計算出來，並且搭配測試結果加以驗證。
由於燈具的大小及造型差異性很大，散熱模組亦會不同，要如何確認產品在量產前是否處於一個安全的使用溫度下，而又能節省開模的成本費用，最好的方式還是透過數值分析方法(CFD)。數值模擬分析不但可準確預估溫度的分佈，亦可提供有效的散熱改善對策。

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