摘要

隨著LED照明市場快速成長，導熱塑膠取代傳統鋁鑄散熱器漸成趨勢。本文以自製導熱塑膠於不同瓦數，與純塑膠、鋁件以及內鑲鋁/導熱塑膠混成件之散熱器進行溫降比較之探討。從實驗結果知導熱塑膠確實能達到良好導熱和散熱效果，其設計以鑲鋁導熱塑膠之混成散熱器形式有最佳效果。

前言

近年來，電子電器相關產品趨於輕薄短小，但功能需求卻更為強大，因此對散熱之效能要求益形嚴苛。隨著LED照明市場快速成長，兼具易成形、低成本及輕量的高效能散熱設計已是大勢所趨。

傳統LED散熱器(heat sink)以採用鋁散熱材料為主，雖然有良好的散熱效果，但加工困難、成本高昂、材質重。相對的，導熱塑料不僅具有金屬和陶瓷的熱傳遞性能，同時還保留了普通塑料在設計、性能和成本方面的其他優點，如散熱均勻、重量輕（比鋁材輕20~40%）、成型加工容易、設計自由度高等，因而高導熱塑料近來成為各LED 燈具設計應用之熱點。

ㄧ般而言，塑膠是ㄧ種絕緣材料其導熱效能相當差，導熱係數k值一般只有0.2 W/m-k，約為金屬鋁之1/1000。導熱塑膠主要是於傳統的塑膠添加高導熱填料製得，導熱填料ㄧ般可分為(1) 金屬粉末: 如銅粉，銀粉，鋁粉等；(2) 陶瓷粉末: 如氮化硼，氮化鋁，碳化矽，氧化鋁，氧化鋅等；(3) 碳系填料: 如石墨，碳纖，納米碳管等。導熱塑膠一般又可分成兩大類，絕緣導熱型和導電導熱型。導熱塑膠之導熱能力與導熱填料之類型，大小及分佈，晶型，填充量息息有關，可以視需要添加複合型導熱塡料來提升導熱力。此外，導熱塑膠導熱能力與其在塑膠內之分佈排列堆積有關，而如何得到最密堆積與塑膠配料技術息息相關，其中螺桿L/D比、螺桿組態、填料表面處理與否至為重要。當然樹脂種類也直接影響導熱好壞，一般常作為導熱塑膠之樹脂基底有PP、Nylon、PBT、PET、PPS、ABS、PC---等。

物質內部傳導熱能的載體主要有分子、電子、聲子(phonon)和光子(photon)，對應有分子導熱，電子導熱，聲子導熱和光子導熱過程之導熱機理。 金屬導熱佳主要是因金屬具有自由電子因而能快速傳遞熱能；而塑膠因無自由電子，分子振動困難，其熱傳導主要是晶格震動的結果，而聲子是主要熱能載荷者。導 熱塑膠之高導熱能力主要來自於導熱塡料之高熱導率。

圖ㄧ：LED Tj 溫度與使用壽命關係圖 ref: Light research center

圖ㄧ為高亮度白光LED的T_j點溫度(結溫)與使用壽命之關係，從圖中可知T_j 溫度愈低則使用壽命愈長，因而如何降低T_j 溫度乃LED 應用重要之課題。而T_j溫度可由以下公式估算，若能有效降低熱阻即能降低T_j 溫度，當然若能提高散熱器散熱效能就能延長LED使用壽命。

T_j =T_a + ( P_d) * R_j-a

此處 T_j = Tjunction 溫度 T_a = 環境溫度 P_d = 功率消散(W) = 正向電流(I_f) * 正向電壓(V_f) R_j-a = j 點到環境之熱阻 從圖二，熱傳路徑R_j-a 可進一步再細分成 R_j-a = R_j-sp + R_sp-c + R_c-b + R_b-a

由上可知LED 產生之熱最終需經由外部散熱器將熱傳遞給環境空氣，此部分主要是經由熱對流和熱輻射來達成。

一般而言，T_j 溫度不易量得，取而代之大多以量測燈板溫度T_s來替代，本文中溫降數據也是量燈板溫度作為比較參考點。

圖二：LED 球泡燈熱阻示意圖

LED外部散熱器設計一般有兩大類，其一是純導熱塑膠(圖三 )，另一種設計則是內部有鋁鑲件外部導熱塑膠之混成形式(圖四 )。

圖三：純導熱塑膠散熱器於LED球泡燈散熱示意圖	圖四：鑲鋁導熱塑膠散熱器於LED球泡燈散熱示意圖

本研究之目的在於從不同導熱效果之導熱塑膠散熱器溫降結果，提供業界使用導熱塑膠替代鋁鑄散熱器之可行性參考。

實驗

依配方將所需尼龍樹脂和適當比例之導熱塡料導入預設溫度之雙螺桿押出機進行熔融混練，押出條入水冷卻再經切粒成膠粒，如圖五 。將所得導熱膠粒烘乾，然後於射出機射出LED 導熱散熱器，材料包括純塑膠、導熱塑膠和內鑲鋁材/導熱塑膠混成形式，如圖六。

組合不同散熱器、LED 燈板以及驅動IC，然後利用參考LED業界量測溫降之方法於固定環境溫度下量測不同時間之溫降數據，如圖七。

圖五、 導熱塑膠膠粒樣品	圖六：耐特導熱塑膠製成的導熱塑膠散熱器（圖左：未鑲鋁，圖右：鑲鋁）

圖七、 導熱塑膠散熱器溫降測試圖(室溫下)

結果與討論

表一為純尼龍以及不同導熱係數k之導熱塑膠在鑲鋁及無鑲鋁散熱器於8W的T_s溫降數據。從表一可知有鑲鋁導散熱效果明顯優於無鑲鋁。純尼龍無鑲鋁散熱器於8W溫降高達141℃，而有鑲鋁則劇降至91℃。相對的，三種不同K值導熱塑膠之鑲鋁散熱器其溫降均低於80℃ 符合業界要求。由此可得，結合導熱塑膠和鑲鋁之混成散熱器提供不錯之導熱和散熱效果。

表一、純尼龍與不同K值導熱塑膠於8W功率下鑲鋁及無鑲鋁散熱器的溫降比較

表二為純尼龍鑲鋁散熱器、導熱塑膠所製成鑲鋁散熱器以及鋁殼散熱器於8W、10W、12W 之 T_s 溫降數據。相關數據亦繪製於圖九。從表二可知純尼龍散熱器溫降均高於90℃。K=1.0~K=2.2 鑲鋁導熱塑膠散熱器在8W和10W其T_s均可低於80℃，但於12W鑲鋁之T_s則介於89℃ ~ 98 ℃。另一方面鋁殼散熱器在8W溫降為67℃，在10W溫降為70℃，於12W則達85℃。因而對於高於10W之較高瓦數LED球泡燈應用，高導熱塑膠似乎有其限制，仍待LED晶片發光效率(流明/瓦)進一步克服。

表二、純尼龍與不同K值導熱塑膠於不同功率鑲鋁下散熱器的溫降比較

 表三為純尼龍以及不同導熱係數k導熱塑膠之無鑲鋁散熱器於4W和8W的T_s溫降數據。從表三8W無鑲鋁溫降，導熱塑膠介於96~112℃，而純尼龍則高達141℃，顯然都不適用。在4W無鑲鋁當K=1.6 溫降為78℃，當K=2.2 溫降72℃，從這結果可知於較低瓦數，如4W之應用，即使無鑲鋁若選擇適當導熱係數K則仍能應用。

表三、純尼龍與不同K值導熱塑膠於不同功率無鑲鋁散熱器的溫降比較

純尼龍和不同k值材料製成4W鑲鋁LED散熱器之T_s溫度對時間關係圖，如圖八所示。從圖中T_s可發現當檢測時間達60分鐘後T_s點溫度無太大變化，故本實驗其他溫降之數據為比較起見均是紀錄測試開始後1小時之溫度。

圖八：不同材料製成4W鑲鋁LED散熱器之Ts溫度對時間關係圖

圖九為不同材料製成鑲鋁散熱器在不同瓦數8W、10W、12W時其T_s(1 hr) 比較圖，從圖知隨瓦數增加T_s會隨之上升，在10W(含)以下鑲鋁之導熱塑膠T_s值低於80℃；而12W時即使鋁製散熱器亦達85℃，導熱塑膠K=2.2 已達89℃，因而導熱塑膠在高於10W之應用需小心選擇，業者最好能與材料商溝通，從其他方面突破此瓶頸。

圖九：不同材料製成鑲鋁散熱器在不同瓦數下其Ts(1 hr) 比較圖

圖十為不同材料製成8W鑲鋁LED散熱器之T_s 溫度對時間關係圖，從圖T_{s/sub<>溫度可知純塑膠散熱效果並不佳，鑲鋁之導熱塑膠散熱器可大大降低Ts溫度，已經可符合低於80℃ 要求。至於鋁製散熱器其效果更優於鑲鋁之導熱塑膠散熱器。}

圖十：不同材料製成8W鑲鋁LED散熱器之Ts 溫度對時間關係圖

從本實驗以上結果知導熱塑膠確實能達到良好導熱和散熱效果，也的確能替代部分鋁製散熱器，不過業者在選用導熱塑膠相關材料時，最好能與料商充分溝通，因散熱器之設計、模具開立、射出成形均會直接影響最終導熱和散熱效果。

結論

由以上的實驗可歸結出以下之結論：

1. 純塑膠散熱器明顯無法達到導熱及散熱效果。
2. 導熱塑膠之導熱效果明顯優於純塑膠，若結合鑲鋁/導熱塑膠之混成設計其導熱效果更加。
3. 對於4W無鑲鋁的導熱塑膠散熱器，選擇K=1.6以上的導熱塑膠為佳。
4. 在8W&10W於鑲鋁的導熱塑膠散熱器，可選擇低K值(K=1.0)的導熱塑膠，便可符合業界一般溫降T_s需≦80℃的要求。
5. 對於12W鑲鋁的導熱塑膠散熱器，以K=2.2的散熱效果較接近鋁製散熱器，但其 T_s仍高於80℃。

文章提供：耐特科技材料股份有限公司