高亮度LED封裝熱導原理

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)。

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18;24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。（圖片來(lái)源：Lumileds.com）

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℃/W～10℃/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5mA;30mA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330mA;1A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，也有實(shí)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1;4顆，照明燈泡約1;8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。

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％。（圖片來(lái)源：Lumileds.com）

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、訊息廣告牌的走馬燈、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（Internal Quantum Efficiency；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（External Quantum 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）。

從Lumileds公司Luxeon系列LED的橫切面可以得知，硅封膠固定住LED裸晶與裸晶上的熒光質(zhì)（若有用上熒光質(zhì)的話(huà)），然后封膠之上才有透鏡，而裸晶下方用焊接（或導熱膏）與硅子鑲嵌芯片（Silicon Sub-mount Chip）連接，此芯片也可強化ESD靜電防護性，往下再連接散熱塊，部分LED也直接裸晶底部與散熱塊相連.

Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶實(shí)行覆晶鑲嵌法，因此其藍寶石基板變成在上端，同時(shí)還加入一層銀質(zhì)作為光反射層，進(jìn)而增加光取出量，此外也在Silicon Submount內制出兩個(gè)基納二極管（Zener Diode），使LED獲得穩壓效果，使運作表現更穩定。
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，