高亮度LED的散熱傳導技術(shù)探討

過(guò)去LED只能拿來(lái)做為狀態(tài)指示燈的時(shí)代，其封裝散熱從來(lái)就不是問(wèn)題，但近年來(lái)LED的亮度、功率皆積極提升，并開(kāi)始用于背光與電子照明等應用后，LED的封裝散熱問(wèn)題已悄然浮現。

　　上述的講法聽(tīng)來(lái)有些讓人疑惑，今日不是一直強調LED的亮度突破嗎？2003年Lumileds Lighting公司Roland Haitz先生依據過(guò)去的觀(guān)察所理出的一個(gè)經(jīng)驗性技術(shù)推論定律，從1965年第一個(gè)商業(yè)化的LED開(kāi)始算，在這30多年的發(fā)展中，LED約每18個(gè)月24個(gè)月可提升一倍的亮度，而在往后的10年內，預計亮度可以再提升20倍，而成本將降至現有的1/10，此也是近年來(lái)開(kāi)始盛行的Haitz定律，且被認為是LED界的Moore（摩爾）定律。

　　依據Haitz定律的推論，亮度達100lm/W（每瓦發(fā)出100流明）的LED約在2008年2010年間出現，不過(guò)實(shí)際的發(fā)展似乎已比定律更超前，2006年6月日亞化學(xué)工業(yè)（Nichia）已經(jīng)開(kāi)始提供可達100lm/W白光LED的工程樣品，預計年底可正式投入量產(chǎn)。

　　備注：Haitz定律可說(shuō)是LED領(lǐng)域界的Moore定律，根據Roland Haitz的表示，過(guò)去30多年來(lái)LED幾乎每1824個(gè)月就能提升一倍的發(fā)光效率，也因此推估未來(lái)的10年（2003年2013年）將會(huì )再成長(cháng)20倍的亮度，但價(jià)格將只有現在的1/10。

　　不僅亮度不斷提升，LED的散熱技術(shù)也一直在提升，1992年一顆LED的熱阻抗（Thermal Resistance）為360℃/W，之后降至125℃/W、75℃/W、15℃/W，而今已是到了每顆6℃/W10℃/W的地步，更簡(jiǎn)單說(shuō)，以往LED每消耗1瓦的電能，溫度就會(huì )增加360℃，現在則是相同消耗1瓦電能，溫度卻只上升6℃10℃。

　　少顆數高亮度、多顆且密集排布是增熱元兇

　　既然亮度效率提升、散熱效率提升，那不是更加矛盾？應當更加沒(méi)有散熱問(wèn)題不是？其實(shí)，應當更嚴格地說(shuō)，散熱問(wèn)題的加劇，不在高亮度，而是在高功率；不在傳統封裝，而在新封裝、新應用上。

　　首先，過(guò)往只用來(lái)當指示燈的LED，每單一顆的點(diǎn)亮（順向導通）電流多在5mA30mA間，典型而言則為20mA，而現在的高功率型LED（注1），則是每單一顆就會(huì )有330mA1A的電流送入，「每顆用電」增加了十倍、甚至數十倍（注2）。

　　注1：現有高功率型LED的作法，除了將單一發(fā)光裸晶的面積增大外，也有采行將多顆裸晶一同封裝的作法。事實(shí)上有的白光LED即是在同一封裝內放入紅、綠、藍3個(gè)原色的裸晶來(lái)混出白光。

　　注2：雖然各種LED的點(diǎn)亮（順向導通）電壓有異，但在此暫且忽略此一差異。

　　在相同的單顆封裝內送入倍增的電流，發(fā)熱自然也會(huì )倍增，如此散熱情況當然會(huì )惡化，但很不幸的，由于要將白光LED拿來(lái)做照相手機的閃光燈、要拿來(lái)做小型照明用燈泡、要拿來(lái)做投影機內的照明燈泡，如此只是高亮度是不夠的，還要用上高功率，這時(shí)散熱就成了問(wèn)題。

　　上述的LED應用方式，僅是使用少數幾顆高功率LED，閃光燈約14顆，照明燈泡約18顆，投影機內10多顆，不過(guò)閃光燈使用機會(huì )少，點(diǎn)亮時(shí)間不長(cháng)，單顆的照明燈泡則有較寬裕的周遭散熱空間，而投影機內雖無(wú)寬裕散熱空間但卻可裝置散熱風(fēng)扇。

　　備注：圖中為InGaN與AlInGaP兩種LED用的半導體材料，在各尖峰波長(cháng)（光色）下的外部量子化效率圖，雖然最理想下可逼近40％，但若再將光取效率列入考慮，實(shí)際上都在15％25％間，何況兩種材料在更高效率的部分都不在人眼感受性的范疇內，范疇之下的僅有20％。