前言：

　　過去LED只能拿來做為狀態(tài)指示燈的時(shí)代，其封裝散熱從來就不是問題,，但近年來LED的亮度,、功率皆積極提升，并開始用于背光與電子照明等應(yīng)用后,，LED的封裝散熱問題已悄然浮現(xiàn),。

　　上述的講法聽來有些讓人疑惑，今日不是一直強(qiáng)調(diào)LED的亮度突破嗎,？2003年Lumileds Lighting公司Roland Haitz先生依據(jù)過去的觀察所理出的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性技術(shù)推論定律,，從1965年第一個(gè)商業(yè)化的LED開始算，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(nèi)，預(yù)計(jì)亮度可以再提升20倍,，而成本將降至現(xiàn)有的1/10,，此也是近年來開始盛行的Haitz定律，且被認(rèn)為是LED界的Moore（摩爾）定律,。

　　依據(jù)Haitz定律的推論,，亮度達(dá)100lm/W（每瓦發(fā)出100流明）的LED約在2008年;2010年間出現(xiàn)，不過實(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)開始提供可達(dá)100lm/W白光LED的工程樣品,，預(yù)計(jì)年底可正式投入量產(chǎn)。

　　Haitz定律可說是LED領(lǐng)域界的Moore定律,，根據(jù)Roland Haitz的表示,，過去30多年來LED幾乎每18;24個(gè)月就能提升一倍的發(fā)光效率,，也因此推估未來的10年（2003年;2013年）將會(huì)再成長(zhǎng)20倍的亮度,，但價(jià)格將只有現(xiàn)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℃/W∼10℃/W的地步，更簡(jiǎn)單說,，以往LED每消耗1瓦的電能,，溫度就會(huì)增加360℃，現(xiàn)在則是相同消耗1瓦電能,，溫度卻只上升6℃;10℃,。

　　少顆數(shù)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(yīng)當(dāng)更加沒有散熱問題不是,？其實(shí),，應(yīng)當(dāng)更嚴(yán)格地說，散熱問題的加劇,，不在高亮度,，而是在高功率；不在傳統(tǒng)封裝,，而在新封裝,、新應(yīng)用上。

　　首先,，過往只用來當(dāng)指示燈的LED,，每單一顆的點(diǎn)亮（順向?qū)ǎ╇娏鞫嘣?mA;30mA間，典型而言則為20mA,，而現(xiàn)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(shù)十倍（注2）,。

　　注1：現(xiàn)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(nèi)放入紅,、綠、藍(lán)3個(gè)原色的裸晶來混出白光,。

　　注2：雖然各種LED的點(diǎn)亮（順向?qū)ǎ╇妷河挟?，但在此暫且忽略此一差異?/p>

　　在相同的單顆封裝內(nèi)送入倍增的電流，發(fā)熱自然也會(huì)倍增,，如此散熱情況當(dāng)然會(huì)惡化,，但很不幸的，由于要將白光LED拿來做照相手機(jī)的閃光燈,、要拿來做小型照明用燈泡,、要拿來做投影機(jī)內(nèi)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)散熱就成了問題。

　　上述的LED應(yīng)用方式,，僅是使用少數(shù)幾顆高功率LED,，閃光燈約1;4顆，照明燈泡約1;8顆,，投影機(jī)內(nèi)10多顆,，不過閃光燈使用機(jī)會(huì)少，點(diǎn)亮?xí)r間不長(zhǎng),，單顆的照明燈泡則有較寬裕的周遭散熱空間,，而投影機(jī)內(nèi)雖無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(dǎo)體材料,，在各尖峰波長(zhǎng)（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(nèi)，范疇之下的僅有20％,。

　　可是,，現(xiàn)在還有許多應(yīng)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(hào)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(jié)果便是不易散熱,，這是應(yīng)用所造成的散熱問題。

　　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(shè)計(jì)空間更加拘限,，且若高標(biāo)要求來看也不應(yīng)使用散熱風(fēng)扇，因?yàn)轱L(fēng)扇的吵雜聲會(huì)影響電視觀賞的品味情緒,。

　　散熱問題不解決有哪些副作用,？

　　好,！倘若不解決散熱問題,，而讓LED的熱無法排解，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(dāng)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)光亮度是呈反比線性的關(guān)系,，溫度愈升高，LED亮度就愈轉(zhuǎn)暗,。

　　溫度對(duì)亮度的影響是線性,，但對(duì)壽命的影響就呈指數(shù)性，同樣以接面溫度為準(zhǔn),，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(zhuǎn)化成光能，而少轉(zhuǎn)化成熱能,，也就是光能提升,，熱能就降低，以此來降低發(fā)熱,。

　　如果更進(jìn)一步討論,，電光轉(zhuǎn)換效率即是內(nèi)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(jié)在于外部量子化效率（External Quantum Efficiency；EQE）的低落,。

　　以Lumileds Lighting公司的Luxeon系列LED為例,，Tj接面溫度為25℃，順向驅(qū)動(dòng)電流為350mA,，如此以InGaN而言,，隨著波長(zhǎng)（光色）的不同，其效率約在5％∼27％之間,，波長(zhǎng)愈高效率愈低（草綠色僅5％,，藍(lán)色則可至27％），而AlInGaP方面也是隨波長(zhǎng)而有變化,，但卻是波長(zhǎng)愈高效率愈高,，效率大體從8％∼40％（淡黃色為低，橘紅最高）,。（圖片來源：www.ledhp.com）

　　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），然后封膠之上才有透鏡,，而裸晶下方用焊接（或?qū)岣啵┡c硅子鑲嵌芯片（Silicon Sub-mount Chip）連接,，此芯片也可強(qiáng)化ESD靜電防護(hù)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(lán)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(nèi)制出兩個(gè)基納二極管（Zener Diode）,，使LED獲得穩(wěn)壓效果,，使運(yùn)作表現(xiàn)更穩(wěn)定,。

　　由于增加光取出率（Extraction Efficiency，也稱：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。

　　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(jié)構(gòu)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：底板,、襯底，有些地方也稱為：Carrier）的材料,。2.經(jīng)裸晶改采覆晶（Flip-Chip,，也稱：倒晶）方式鑲嵌（mount）,。

　　先說明基板部分,，基板的材料并不是說換就能換，必須能與裸晶材料相匹配才行,，現(xiàn)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）,。

　　為了強(qiáng)化LED的散熱，過去的FR4印刷電路板已不敷應(yīng)付,，因此提出了內(nèi)具金屬核心的印刷電路板,，稱為MCPCB，運(yùn)用更底部的鋁或銅等熱傳導(dǎo)性較佳的金屬來加速散熱,，不過也因絕緣層的特性使其熱傳導(dǎo)受到若干限制,。

　　對(duì)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(fèi),，例如GaAs基板即是不透光，因此再加入一個(gè)DBR（Distributed Bragg Reflector）反射層來進(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(dǎo)性,，負(fù)責(zé)將裸晶所釋放出的熱,，迅速導(dǎo)到更下層的散熱塊（Heat Slug）上，不過基板與散熱塊間也必須使用熱傳導(dǎo)良好的介接物,，如焊料或?qū)岣?。同時(shí)裸晶上方的環(huán)氧樹脂或硅樹脂（即是指：封膠層）等也必須有一定的耐熱能力，好因應(yīng)從p-n接面開始,，傳導(dǎo)到裸晶表面的溫度,。

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

　　從傳統(tǒng)FR4 PCB到金屬核心的MCPCB

　　將熱導(dǎo)到更下層后,，就過去而言是直接運(yùn)用銅箔印刷電路板（Printed Circuit Board；PCB）來散熱,，也就是最常見的FR4印刷電路基板,，然而隨著LED的發(fā)熱愈來愈高，F(xiàn)R4印刷電路基板已逐漸難以消受,，理由是其熱傳導(dǎo)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(dǎo)效果更好的金屬上（如：鋁、銅）,，以此來強(qiáng)化散熱效果,，而這片金屬位在印刷電路板內(nèi)，所以才稱為「Metal Core」,，MCPCB的熱傳導(dǎo)效率就高于傳統(tǒng)FR4 PCB,，達(dá)1W/m.K∼2.2W/m.K。

　　不過,，MCPCB也有些限制,，在電路系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)不能超過140℃，這個(gè)主要是來自介電層（Dielectric Layer,，也稱Insulated Layer,，絕緣層）的特性限制，此外在制造過程中也不得超過250℃;300℃，這在過錫爐時(shí)前必須事先了解,。

　　附注：雖然鋁,、銅都是合適的熱導(dǎo)熱金屬，不過礙于成本多半是選擇鋁材質(zhì),。

　　IMS強(qiáng)化MCPCB在絕緣層上的熱傳導(dǎo)

　　MCPCB雖然比FR4 PCB散熱效果佳,，但MCPCB的介電層卻沒有太好的熱傳導(dǎo)率，大體與FR4 PCB相同,，僅0.3W/m.K,，成為散熱塊與金屬核心板間的傳導(dǎo)瓶頸。

　　為了改善此一情形,，有業(yè)者提出了IMS（Insulated Metal Substrate,，絕緣金屬基板）的改善法，將高分子絕緣層及銅箔電路以環(huán)氧方式直接與鋁,、銅板接合,，然后再將LED配置在絕緣基板上，此絕緣基板的熱傳導(dǎo)率就比較高,，達(dá)1.1;2W/m.K,，比之前高出3;7倍的傳導(dǎo)效率。

　　更進(jìn)一步的,，若絕緣層依舊被認(rèn)為是導(dǎo)熱性不佳,，也有直接讓LED底部的散熱塊，透過在印刷電路板上的穿孔（Through Hole）作法,，使其直接與核心金屬接觸，以此加速散熱,。此作法很耐人尋味,，因?yàn)檫^去的印刷電路板不是為插件組件焊接而鑿，就是為線路繞徑而鑿,，如今卻是為散熱設(shè)計(jì)而鑿,。

　　結(jié)尾

　　除了MCPCB、MCPCB＋I(xiàn)MS法之外,，也有人提出用陶瓷基板（Ceramic Substrate）,，或者是所謂的直接銅接合基板（Direct Copper Bonded Substrate，簡(jiǎn)稱：DBC）,，或是金屬?gòu)?fù)合材料基板,。無論是陶瓷基板或直接銅接合基板都有24∼170W/m.K的高傳導(dǎo)率，其中直接銅接合基板更允許制程溫度,、運(yùn)作溫度達(dá)800℃以上,，不過這些技術(shù)都有待更進(jìn)一步的成熟觀察。

　　Philips公司的彩色動(dòng)態(tài)式LED照明模塊,，四組燈泡內(nèi)各有一個(gè)1W的高亮度,、高功率LED,，且分別是紅、綠,、藍(lán),、琥珀等四種顏色，主要用于購(gòu)物場(chǎng)所的氣氛照明,、墻壁色調(diào)的改變,、建筑物的戶外特效照明等。