指導教授：劉雲輝老師班級：夜自控四乙學號： 99912145

姓名：王彥博

LED簡介與 LED散熱結構設計開發

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前言

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溫室效應

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照明

行動通訊

LED應用

LED應用

消費性電子

車用 大型看板

PC及NB

手機背光、閃光燈、 GPS 、車用燈光、 NB背光、路燈、建築燈光、大型看板。

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照明產業演進

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何謂發光二極體：英文： Light-Emitting Diode ，簡稱 LED 是一種半導體元件。一種當電通過本身時即會發光的設計，此現象在物理學上稱為電致發光或場致發光，是一種混合著數種化學反應而產生的冷發光，其與白熾燈泡的熱發光有所不同。

何謂 LED

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LED原理LED 發光的基本原理 利用 P 型材質（電洞）及 N 型材質（電子），通入順向電壓，電子由 N 區流向 P 區，電洞則由 P 區流向 N 區，電子與電洞於 PN 相互結合而產生光。

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LED構造及材料

高功率LED

低功率 LED( 砲彈型 )

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LED發熱原因

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與傳統光源一樣，半導體發光二極體（ LED ）在工作期間也會產生熱量，其多少取決於整體的發光效率。在外加電能量作用下，電子和空穴的輻射複合發生電致發光，在 P-N 結附近輻射出來的光還需經過晶片（ chip ）本身的半導體介質和封裝介質才能抵達外界（空氣）。綜合電流注入效率、輻射發光量子效率、晶片外部光取出效率等，最終大概只有 30-40 ％的輸入電能轉化為光能，其餘 60-70 ％的能量主要以非輻射複合發生的點陣振動的形式轉化熱能。

LED散熱結構設計開發 - 研究目地

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LED 壽命與效能受到溫度影響極大，每 10 度升溫就會使壽命減半。目前 LED 的製造材料尚無突破性的發展，因此無法從原料端克服升溫問題，因此，如何透過散熱模組等之設計來降低溫度，提高效能，就成為關鍵所在。

本研究對 LED 鋁合金擠型散熱模組作為研究標的，進行分析與設計，同時實際擠製設計之散熱模組，並與市售模組進行功能比較。結果發現，本研究設計之散熱模組可有效提高散熱能力，降低 LED 之溫度，同時提升其使用壽命。

LED散熱結構 - 產品實測

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LED溫度對壽命與光衰之影響

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積熱對 LED性能影響

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耗能越多 22 ％

其它

0 ％特殊燈能外型

25 ％

特殊光色4 ％

避免紫外光 22 ％

維護成本 26 ％

高演色性 6 ％

低發熱量6 ％

LED散熱模組示意圖

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ORIGINAL

TYPE-2 TYPE-3

TYPE-1

LED散熱模組差異比較

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LED散熱模組 FEM分析

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ORIGINAL

TYPE-1

TYPE-2 TYPE-3

擠壓比定義與說明

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型材變形不充分 ,密度與表面質量不好

模具變形太劇烈 , 擠壓困難 ,型材尺寸難以保證 , 甚至造成堵模

(a) 擠壓比過小 (b) 擠壓比適中 (c) 擠壓比過大

LED散熱模組擠壓比決

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封閉性與開放性擠品之差異

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封閉性 開放性

擠製實物測試與比較

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(左： Original ，中： TYPE-1 ，右： TYPE-3)

實驗示意圖

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(左： Original ，右： TYPE-3)

散熱模組 LED燈炮溫度比較表

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結果與討論

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1. 改善散熱模組，例如散熱表面積、散熱質量、材質…等，都可以獲得效果。本研究以增加散熱表面積為標的，確實提升了模組散熱的效能，降低 LED 燈炮之溫度。2. 承上，由於模組散熱性能提升，使使用壽命亦隨之提升。3. 本研究開發之散熱模組在擠型上的難度較原設計為高，但吾人過模具之設計亦可改善其效益，維持模具設計製造以及擠製成本合理性，同時亦確保擠品在尺寸精度與直度上達到原本的要求。4. 本研究因為成本因素，無法擴大測試範疇，增加取樣數目，且電路板線路通過的孔加工上亦是差異較大之處，唯此項可透過正常的封裝程序克服之，而測試取樣上則可由製造商在實際生產時進行。5. 未來研究可嘗試由新的散熱原理 / 設計或是材料替換等層面思考，應可更進一步提升散熱模組的效能。

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*參考文獻* http://zh.wikipedia.org/wiki/LED

* http://www.led-shop.com.tw/page44.htm

* http://www.ledinside.com.tw/knowledge/20120801-22324.html

* http://www.365-city.com/hot1410.html

* http://scimonth.blogspot.tw/2014/03/blog-post_9580.html

* http://shs.ntu.edu.tw/shs/?tag=%E9%9B%BB%E5%AD%90%E6%96%87%E5%BA%AB%E5%85%A8%E7%90%83%E6%9A%96%E5%8C%96%E5%B0%88%E9%A1%8C

* http://www.cnopt.com/article/201003/032QP62010.html

* http://www.ledinside.com.tw/knowledge/20071224-2938.html

* [1] 李積彬，伍曉宇，毛大恆，馬健哲，〝鋁型材擠壓模具 3D 設計 CAD/CAM 實用技術〞，冶金工業出版社‧中國， 2003.DEFORM Users Manual 2000,Scientific Forming Technologies Corporation,Columbus, Ohio.

* [2] ASM Specialty handbook, “Aluminum and AluminumAlloys,” 1993.

* [3] K. Laue, H. Stenger, “Extrusion.”

* 鍛造 第十九卷第四期 技術文章 LED 散熱結構設計開發 Design and Development of LED Heat Sink Structure 蔡秉訓 Ping-Hsun Tsai

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