高亮度LED之“封裝熱導”原理技術(shù)探析

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)。

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（ThermalResistance）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。

可是，現在還有許多應用是需要高亮度，但又需要將高亮度LED密集排列使用的，例如交通號志燈、訊息看板的走馬燈、用LED組湊成的電視墻等，密集排列的結果便是不易散熱，這是應用所造成的散熱問(wèn)題。

更有甚者，在液晶電視的背光上，既是使用高亮度LED，也要密集排列，且為了講究短小輕薄，使背部可用的散熱設計空間更加拘限，且若高標要求來(lái)看也不應使用散熱風(fēng)扇，因為風(fēng)扇的吵雜聲會(huì )影響電視觀(guān)賞的品味情緒。

散熱問(wèn)題不解決有哪里些副作用？

好！倘若不解決散熱問(wèn)題，而讓LED的熱無(wú)法排解，進(jìn)而使LED的工作溫度上升，如此會(huì )有什么影響嗎？關(guān)于此最主要的影響有二：(1)發(fā)光亮度減弱、(2)使用壽命衰減。

舉例而言，當LED的p-n接面溫度（Junction Temperature）為25℃（典型工作溫度）時(shí)亮度為100，而溫度升高至75℃時(shí)亮度就減至80，到125℃剩60，到175℃時(shí)只剩40。很明顯的，接面溫度與發(fā)光亮度是呈反比線(xiàn)性的關(guān)系，溫度愈升高，LED亮度就愈轉暗。

溫度對亮度的影響是線(xiàn)性，但對壽命的影響就呈指數性，同樣以接面溫度為準，若一直保持在50℃以下使用則LED有近20,000小時(shí)的壽命，75℃則只剩10,000小時(shí)，100℃剩5,000小時(shí)，125℃剩2,000小時(shí)，150℃剩1,000小時(shí)。溫度光從50℃變成2倍的100℃，使用壽命就從20,000小時(shí)縮成1/4倍的5,000小時(shí)，傷害極大。

裸晶層：光熱一體兩面的發(fā)散源頭：p-n接面

關(guān)于LED的散熱我們同樣從最核心處逐層向外討論，一起頭也是在p-n接面部分，解決方案一樣是將電能盡可能轉化成光能，而少轉化成熱能，也就是光能提升，熱能就降低，以此來(lái)降低發(fā)熱。

如果更進(jìn)一步討論，電光轉換效率即是內部量子化效率（InternalQuantumEfficiency；IQE），今日一般而言都已有70％90％的水平，真正的癥結在于外部量子化效率（ExternalQuantum Efficiency；EQE）的低落。

以L(fǎng)umileds Lighting公司的Luxeon系列LED為例，Tj接面溫度為25℃，順向驅動(dòng)電流為350mA，如此以InGaN而言，隨著(zhù)波長(cháng)（光色）的不同，其效率約在5％27％之間，波長(cháng)愈高效率愈低（草綠色僅5％，藍色則可至27％），而AlInGaP方面也是隨波長(cháng)而有變化，但卻是波長(cháng)愈高效率愈高，效率大體從8％40％（淡黃色為低，橘紅最高）。

由于增加光取出率（Extraction Efficiency，也稱(chēng)：汲光效率、光取效率）也就等于減少熱發(fā)散率，等于是一個(gè)課題的兩面，而關(guān)于光取出率的提升請見(jiàn)另一篇專(zhuān)文：高亮度LED之「封裝光通」原理技術(shù)探析。在此不再討論。

裸晶層：基板材料、覆晶式鑲嵌

如何在裸晶層面增加散熱性，改變材質(zhì)與幾何結構再次成為必要的手段，關(guān)于此目前最常用的兩種方式是：1.換替基板（Substrate，也稱(chēng)：底板、襯底，有些地方也稱(chēng)為：Carrier）的材料。2.經(jīng)裸晶改采覆晶（Flip-Chip，也稱(chēng)：倒晶）方式鑲嵌（mount）。

先說(shuō)明基板部分，基板的材料并不是說(shuō)換就能換，必須能與裸晶材料相匹配才行，現有AlGaInP常用的基板材料為GaAs、Si，InGaN則為SiC、Sapphire（并使用AlN做為緩沖層）。

備注：為了強化LED的散熱，過(guò)去的FR4印刷電路板已不敷應付，因此提出了內具金屬核心的印刷電路板，稱(chēng)為MCPCB，運用更底部的鋁或銅等熱傳導性較佳的金屬來(lái)加速散熱，不過(guò)也因絕緣層的特性使其熱傳導受到若干限制。（制圖：郭長(cháng)佑）

對光而言，基板不是要夠透明使其不會(huì )阻礙光，就是在發(fā)光層與基板之間再加入一個(gè)反光性的材料層，以此避免「光能」被基板所阻礙、吸收，形成浪費，例如GaAs基板即是不透光，因此再加入一個(gè)DBR（DistributedBraggReflector）反射層來(lái)進(jìn)行反光。而Sapphire基板則是可直接反光，或透明的GaP基板可以透光。

除此之外，基板材料也必須具備良好的熱傳導性，負責將裸晶所釋放出的熱，迅速導到更下層的散熱塊（HeatSlug）上，不過(guò)基板與散熱塊間也必須使用熱傳導良好的介接物，如焊料或導熱膏。同時(shí)裸晶上方的環(huán)氧樹(shù)脂或矽樹(shù)脂（即是指：封膠層）等也必須有一定的耐熱能力，好因應從p-n接面開(kāi)始，傳導到裸晶表面的溫度。

除了強化基板外，另一種作法是覆晶式鑲嵌，將過(guò)去位于上方的裸晶電極轉至下方，電極直接與更底部的線(xiàn)箔連通，如此熱也能更快傳導至下方，此種散熱法不僅用在LED上，現今高熱的CPU、GPU也早就采行此道來(lái)加速散熱。

從傳統FR4PCB到金屬核心的MCPCB

將熱導到更下層后，就過(guò)去而言是直接運用銅箔印刷電路板（Printed Circuit Board；PCB）來(lái)散熱，也就是最常見(jiàn)的FR4印刷電路基板，然而隨著(zhù)LED的發(fā)熱愈來(lái)愈高，FR4印刷電路基板已逐漸難以消受，理由是其熱傳導率不夠（僅0.36W/m.K）。

為了改善電路板層面的散熱，因此提出了所謂的金屬核心的印刷電路板（Metal Core PCB；MCPCB），即是將原有的印刷電路板附貼在另外一種熱傳導效果更好的金屬上（如：鋁、銅），以此來(lái)強化散熱效果，而這片金屬位在印刷電路板內，所以才稱(chēng)為「MetalCore」，MCPCB的熱傳導效率就高于傳統FR4PCB，達1W/m.K2.2W/m.K。

不過(guò)，MCPCB也有些限制，在電路系統運作時(shí)不能超過(guò)140℃，這個(gè)主要是來(lái)自介電層（DielectricLayer，也稱(chēng)InsulatedLaye