前言

高功率LED的發熱量是低功率LED的數十倍，因此，會出現隨著溫度上升，而出現發光功率降低的問題，所以在能夠抗熱性高封裝材料的開發上，就相對顯的非常重要。在20～30lm/W以下的LED，這些問題都不存在。一旦面臨60lm/w以上的高發光功率LED的時候，就不得不需要想辦法解決的，因為，熱效應所帶來的影響，絕對不會僅僅只有LED本身，而是會對整體應用產品帶來困擾。所以，LED如果能夠在這一方面獲得解決的話，那麼，也可以減輕應用產品本身的散熱負擔[1]。在以EHD技術增加LED散熱效率之研究中，微通道致冷技術，設計了大功率LED陣列封裝的微通道致冷結構，並應用熱分析軟體類比了其熱性能，探討不同鰭片結構尺寸、流速、功率等參數對LED多晶片散熱效果的影響。採用交錯通道以提高LED封裝的散熱能力，類比結果顯示，交錯微通道致冷的封裝結構能很好地滿足大功率LED陣列的散熱需要[2]。

白光LED是一種節約能源的環保照明光源，比起傳統照明光源具有省電及壽命長等優點，但使用在室內照明，因為亮度增加使得LED的發熱功率逐漸升高，傳統被動式散熱法如自然對流已無法適用於高亮度LED，因此散熱問題尚待解決[3]。LED商品化發展，散熱問題面臨嚴峻考驗。一般LED發光效率只約二成，八成大多轉換成熱，一旦LED走入照明商品化時，若無法有效散熱，易發生過熱燒毀、光衰加速及壽命縮減的問題。而一般使用的傳統自然散熱方式已不足應付。一般150瓦的LED燈具若使用傳統自然散熱方式，藉由燈具表面面積接觸空氣散熱，每瓦熱阻值達0.5～1.16℃/W上下，溫度將升達60～139℃，再加上40℃環境溫度與Tj-a 8～15℃很容易故障燒毀；同時，燈具散熱鰭片裸露在外，易累積沙塵、鳥糞，進而喪失散熱效能[4]。

在發光二極體(LED)的設計中，因為單管LED無法達到照明強度的要求，設計者經常使用多個LED來達到效果。因為散熱的原因，LED之間的最佳距離是設計者必須面臨的問題。認為LED的發熱不僅與LED間的距離有關，而且還與它們使用的金屬芯印製板(MCPCB)的絕緣層、銅箔層以及焊接層的厚度有關，並導出了它們之間的關係[5]。有關發光特性均勻性，一般認為只要改善白光LED的螢光體材料濃度均勻性與螢光體的製作技術，應該可以克服上述困擾。在散熱鰭片與印刷電路板之間的密著性直接左右熱傳導效果，因此印刷電路板的設計變得非常複雜，有鑑於此美國Lumileds與日本CITIZEN等照明設備、LED封裝廠商，相繼開發高功率LED用簡易散熱技術[6]。

材料特性以及封裝技術的限制，LED在亮度及使用壽命上目前還無法達到一般照明燈源的規格，其中一個十分重要的原因是LED封裝體發光時會產生熱量，因此若散熱設計不佳，高溫將會導致LED 晶體本身亮度降低、壽命降低、波長飄移等等。除了熱傳導之外，還具有在單體封裝等級(1st Level)就達到良好的熱對流效果[7]。LED對於照明之應用日趨重要，而其中急需解決的便是LED散熱問題，由於LED具有省電及壽命長之特性，若能有效改善其散熱問題，將能延長LED的使用壽命、減少能源的損耗。蒸氣腔體乃是在操作時產生沸騰的機制，使熱量能迅速且均勻的擴散來達到散熱和均溫的效果。研究自然對流散熱對於蒸氣腔體散熱模組的性能影響，以提供未來對於蒸氣腔體散熱模組進一步的分析與改善[8]。

改善封膠之傳導係數對於LED之散熱有相當之助益。除此之外，改變PCB材料或置換基板為鋁或銅材為降低晶片溫度與熱阻最有效之方法。印刷電路板面積大小對LED散熱有一定程度影響，LED封膠幾何形狀缺角有降低熱阻之功效[9]。

研究動機與目的

研究動機

微控制器來控制壓電扇片是目前新科技的新型電風扇，而目前的研究都沒有指出它的功效有多大，是否能讓熱源有效降低多少溫度，或使溫度維持在一定的溫度，是否有辦法跟一般電扇相比，比起一般的電扇好處在哪，還有它能廣泛運用在其他領域。由於目前市場上廣泛的應用LED光源，LED是個容易因為過熱而加速損壞的光源，所以LED的散熱部份相當重要，因此想利用溫度感測器來偵測LED模組溫度並利用微控制器來驅動壓電扇片，讓該模組的溫度緩慢降低，以達散熱之效果。

研究目的

本研究是利用微控制器驅動壓電扇片做散熱，由於目前LED的散熱方式主要有鋁基板配合散熱鰭片。以LED模組為熱源，由於該模組在長時間使用下會產生較高的溫度，所以利用溫度感測器來偵測該熱源所產生之溫度，當感測器溫度顯示過高時，微控制器將會立即驅動壓電扇片，使讓該模組的整體溫度降低或保持在一定的溫度下，並分析在輸入60HZ,110V的情形下，利用微控制器使壓電扇片能有最佳化的散熱效果。

實驗架構與方法

實驗模組架構

本研究之實驗系統架構，如圖一所示，選用50mm的圓形串聯鋁基板，再將LED焊接於電路板正面，其規格為最大功率3W與工作電流750mA的白光LED燈泡共5顆，搭配足夠功率的直流電源供應器，加上降低電流的電路，使每顆LED達到相同的工作電壓。在鋁機板另一側則裝置散熱鰭片，藉此將LED產生的熱量傳導至鰭片上，鰭片的規格為55mm×55mm的鋁合金片狀式散熱片，將其用螺絲固定於電路板背面，並在LED、電路版、散熱鰭片間都均勻塗上散熱膏，增加熱傳導的速率。然後將其固定於壓克力箱中，目的在於減少外界氣流對實驗的干擾。為量測散熱鰭片的溫度變化，將熱電偶式溫度計與熱敏電阻的感應端塗上散熱膏，連接在鋁基板上，以量測鋁基板上的溫度變化。

《圖一　實際系統架構》

實驗方法

先將LED電路外接直流電源供應器，透過降壓電路，固定輸出給LED模組總電壓為17V，使其運作發亮，因散熱?片溫度若超過60℃，LED燈泡會發生閃爍或是燒壞現象，所以測量溫度上限定為53℃。當鋁基板溫度達到48℃時，透過熱敏電阻送出的信號，經過微控制器內部做比較，將開啟控制壓電扇片之電路，如圖二所示。

輸入至LED模組電功率為4.7W，經過約20分鐘後LED面板溫度就會，將升溫測量時間定為30分鐘，讓LED繼續發光30分鐘，藉此得到在自然的狀態下的升溫變化，以確定實驗結果之重複性，因此實驗時間共為1小時。實驗過程中每上升一度紀錄溫度計的溫度與熱敏電阻上的電壓，再根據所測得電壓值對時間繪圖，得到電壓與溫度的關係。

《圖二　 閉迴路控制方塊圖》

溫度與時間觀測

將模組置於一個25×25×25㎝壓克力箱子中的封閉空間，使內部空氣處於非對流的狀態。由於風扇與LED模組之間有距離，分別為0mm、5mm、10mm、15mm、2mm、25mm，不同距離所接受的風量，藉此可判斷下降溫度的時間差異性。

風速量測

在風速測定上本研究使用熱線風速計（KIMO CONSTRUCTOR製造之機型；型號VT100）量測扇片尖端受電場作用後因葉片擺動衍生之風速，其原理為將一白金線置於待測的流體中，利用不同的流速時，有不同的冷卻效應，因此白金線所呈現之電阻發生變化，電流因而改變，經由電表讀數校正後，即可得流速。此熱線風速計最大之優點為體積小，量測精度高（可達0.01 m/s），因此被用來作為本文壓電致動扇片風速之量測，在風速量測架設上，熱線風速計的白金線距離扇片自由端在分別為7mm、12mm、17mm、22mm、27mm、3.2mm，如圖三所示。

3.5 HT46R24 Based 控制器電路圖

《圖三　風扇架設時的孔距》

本文之壓電扇片與LED控制電路，主要是由HT46R24 MCU、壓電扇片、LED驅動電路與溫度感測電路等所構成電路方塊圖，如下圖四所示，說明如下:

《圖四　 壓電扇片與LED控制電路說明》

MCU程式

首先需擷取熱敏電阻的電壓，在HT46R24的微控制器程式中建立查表，再利用此微控制器內部的ADC功能轉換透過查表的方式後，再根據微控制器程式內部的做一個判斷，使微控制器到某一溫度的電壓後，給驅動電路一個信號，用一個I/O Pin來開啟壓電扇片的驅動電路。

結果與討論

溫度與時間觀測結果

由於模組是置於一個封閉的空間，受環境溫度的影響相對降低，在實驗過程中每上升一度紀錄溫度計的溫度與熱敏電阻上的電壓，如表一及表二所示。再根據所測得電壓值對時間繪圖，如圖五及圖六所示，得到電壓與溫度的關係。

當鋁基板的溫度達到48℃時，由於扇片架設的距離不同，能讓鋁基板的溫度下降速度變快，而距離越遠，能提供的散熱效果有限，如圖七、表三所示。

《圖五　溫度與電壓曲線》

《圖六　溫度與時間曲線圖（使用風扇）》

《圖七　時間與溫度比較圖》

風速量測結果

利用熱線風速計所測得壓電扇片的尖端風速，如圖八所示。除了觀測風速，也可以透過風速計上的溫度顯示，觀察些微的溫度變化。距離越近，量測得到的風速越高，能使下降的溫度也越快，如表四所示。

《圖八　各距離測得的尖端風速》

實驗結果

透過降壓的電路，隨著長時間的下來，容易過熱，會使提供LED模組的電壓稍微的上升，使LED毀損。風扇的部分，壓電體在長時間沒有驅動，而且暴露在潮濕的環境之下，很容易造成扇片發生故障，原因可能是跳開原有的頻率60Hz，因此所能提供降溫效果相對的減半。

模組溫度與風扇距離的量測結果，距離越近，所能呈現的效果越佳；反之，距離越遠，相對的效果越差。量測下來，最後下降的均溫皆在42℃，只有距離模組在0mm所能提供最佳的降溫效果。

結論

本實驗的主要目的在於使用壓電扇片增強散熱鰭片的散熱能力，找出較佳的系統架構方式來提升其散熱效果，如圖九、圖十所示，使之能夠應用在未來普遍的照明系統上。實驗結論如下：

1.若壓電扇片太靠近散熱鰭片，如果受到碰撞，導致扇片位移，有可能導致壓電扇片與散熱鰭片直接接觸，因此會讓壓電扇片無法啟動。因此，將扇片離鰭片的距離，增加為1~2mm，來避免碰撞的情形。

2.使用相同功率和相同的時間下，與傳統扇片的方式作比較，壓電扇片的效果比傳統扇片的效果差一點，但壓電扇片並不會產生太大的噪音與產生熱源，而且能直接使用110V的交流電，與傳統風扇比較，比較方便。若能降低壓電扇片的成本，散熱效能將會大幅提昇，進而取代傳統風扇。

《圖九　實驗架構俯視圖》

《圖十　實驗架構前視圖：（1）底座（2）六角支撐柱（3）散熱鰭片底座（4）LED（3W60ln）（5）鋁基板（6）散熱鰭片（7）壓電扇片（8）風扇固定孔（9）固定風扇基座(10)六角支撐柱》

參考文獻

[1]高亮度LED技術與應用趨勢(3)-散熱問題持續困擾高功率白光LED的應用，http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=A1E&zNotesDocId=3AF2815469F61076482571A30056FAC1。

[2]基於微通道致冷的大功率LED 陣列封裝熱分析，http://scholar.ilib.cn/A-bdtgd200606016.html。

[3]黃政德，2004，“以EHD技術增加LED散熱效率之研究”，碩士論文，國立清華大學。

[4]鑫源盛科技股份有限公司、熱管、Total thermal Solution，http://www.ttic-tech.com.tw/news4.html。

[5]金屬芯印製板結構對發光二極體發熱的影響，http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.articles/yzdlxx/yzdl2005/0509/050915.htm。

[6]技術洞察-改善散熱結構提昇白光LED使用壽命， http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=12A&zNotesDocId=E69752F3229E3DB448257213005B6466。

[7]高功率LED 的散熱處理 ，http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=5283。

[8]李明坤，2005，“LED蒸氣腔體散熱模組”，碩士論文，國立臺灣大學。

[9]楊正宏，2004，“應用有限體積法對LED構裝體與模組之熱阻分析”，碩士論文，長庚大學。