過去LED只能拿來做為狀態(tài)指示燈的時代,，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,，今日不是一直強調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經驗性技術推論定律，從1965年第一個商業(yè)化的LED開始算,，在這30多年的發(fā)展中,，LED約每18個月24個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(xiàn)有的1/10，此也是近年來開始盛行的Haitz定律,，且被認為是LED界的Moore（摩爾）定律,。
依據(jù)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(xiàn),，不過實際的發(fā)展似乎已比定律更超前,，2006年6月日亞化學工業(yè)（Nichia）已經開始提供可達100lm/W白光LED的工程樣品，預計年底可正式投入量產,。
備注：Haitz定律可說是LED領域界的Moore定律,，根據(jù)Roland Haitz的表示，過去30多年來LED幾乎每1824個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）將會再成長20倍的亮度,，但價格將只有現(xiàn)在的1/10。
不僅亮度不斷提升,，LED的散熱技術也一直在提升,，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，更簡單說,，以往LED每消耗1瓦的電能,，溫度就會增加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？應當更加沒有散熱問題不是,？其實,，應當更嚴格地說，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,、新應用上。
首先,，過往只用來當指示燈的LED,，每單一顆的點亮（順向導通）電流多在5mA30mA間，典型而言則為20mA,，而現(xiàn)在的高功率型LED（注1）,，則是每單一顆就會有330mA1A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,，也有采行將多顆裸晶一同封裝的作法,。事實上有的白光LED即是在同一封裝內放入紅,、綠,、藍3個原色的裸晶來混出白光。
注2：雖然各種LED的點亮（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)熱自然也會倍增，如此散熱情況當然會惡化,，但很不幸的,，由于要將白光LED拿來做照相手機的閃光燈、要拿來做小型照明用燈泡,、要拿來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,，這時散熱就成了問題,。
上述的LED應用方式，僅是使用少數(shù)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,，不過閃光燈使用機會少,，點亮時間不長，單顆的照明燈泡則有較寬裕的周遭散熱空間,，而投影機內雖無寬裕散熱空間但卻可裝置散熱風扇,。
備注：圖中為InGaN與AlInGaP兩種LED用的半導體材料，在各尖峰波長（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％。
可是,，現(xiàn)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,，且若高標要求來看也不應使用散熱風扇,，因為風扇的吵雜聲會影響電視觀賞的品味情緒。
散熱問題不解決有哪里些副作用,？
好,！倘若不解決散熱問題，而讓LED的熱無法排解,，進而使LED的工作溫度上升,，如此會有什么影響嗎？關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）時亮度為100,，而溫度升高至75℃時亮度就減至80,，到125℃剩60，到175℃時只剩40,。很明顯的,，接面溫度與發(fā)光亮度是呈反比線性的關系，溫度愈升高,，LED亮度就愈轉暗,。
溫度對亮度的影響是線性，但對壽命的影響就呈指數(shù)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小時的壽命，75℃則只剩10,000小時,，100℃剩5,000小時,，125℃剩2,000小時，150℃剩1,000小時,。溫度光從50℃變成2倍的100℃,，使用壽命就從20,000小時縮成1/4倍的5,000小時，傷害極大,。
裸晶層：光熱一體兩面的發(fā)散源頭：p-n接面
關于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,，以此來降低發(fā)熱,。
如果更進一步討論,，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Lumileds Lighting公司的Luxeon系列LED為例，Tj接面溫度為25℃,，順向驅動電流為350mA,，如此以InGaN而言，隨著波長（光色）的不同,，其效率約在5％27％之間,，波長愈高效率愈低（草綠色僅5％，藍色則可至27％）,，而AlInGaP方面也是隨波長而有變化,，但卻是波長愈高效率愈高，效率大體從8％40％（淡黃色為低,，橘紅最高）,。
備注：從Lumileds公司Luxeon系列LED的橫切面可以得知，矽封膠固定住LED裸晶與裸晶上的螢光質（若有用上螢光質的話）,，然后封膠之上才有透鏡,，而裸晶下方用焊接（或導熱膏）與矽子鑲嵌芯片（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。（圖片來源：Lumileds.com）
備注：Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶采行覆晶鑲嵌法,，因此其藍寶石基板變成在上端,，同時還加入一層銀質作為光反射層，進而增加光取出量,，此外也在Silicon Submount內制出兩個基納二極管（Zener Diode）,，使LED獲得穩(wěn)壓效果，使運作表現(xiàn)更穩(wěn)定,。（圖片來源：Lumileds.com）
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,，等于是一個課題的兩面,，而關于光取出率的提升請見另一篇專文：高亮度LED之「封裝光通」原理技術探析。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,，改變材質與幾何結構再次成為必要的手段，關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）,。
備注：為了強化LED的散熱,，過去的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,，稱為MCPCB,，運用更底部的鋁或銅等熱傳導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受到若干限制,。（制圖：郭長佑）
對光而言,，基板不是要夠透明使其不會阻礙光，就是在發(fā)光層與基板之間再加入一個反光性的材料層,，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DBR（Distributed Bragg Reflector）反射層來進行反光。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（Heat Slug）上，不過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,。同時裸晶上方的環(huán)氧樹脂或矽樹脂（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，將過去位于上方的裸晶電極轉至下方,，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也早就采行此道來加速散熱。
從傳統(tǒng)FR4 PCB到金屬核心的MCPCB
將熱導到更下層后,，就過去而言是直接運用銅箔印刷電路板（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）,，以此來強化散熱效果,，而這片金屬位在印刷電路板內，所以才稱為「Metal Core」,，MCPCB的熱傳導效率就高于傳統(tǒng)FR4 PCB,，達1W/m.K2.2W/m.K。
不過,，MCPCB也有些限制,，在電路系統(tǒng)運作時不能超過140℃，這個主要是來自介電層（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℃,，這在過錫爐時前必須事先了解,。
附注：雖然鋁、銅都是合適的熱導熱金屬,，不過礙于成本多半是選擇鋁材質,。
IMS強化MCPCB在絕緣層上的熱傳導
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率就比較高,，達1.12W/m.K,，比之前高出37倍的傳導效率。
更進一步的,，若絕緣層依舊被認為是導熱性不佳,，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,，因為過去的印刷電路板不是為插件元件焊接而鑿,，就是為線路繞徑而鑿，如今卻是為散熱設計而鑿,。
結尾
除了MCPCB,、MCPCB＋IMS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,，簡稱：DBC），或是金屬復合材料基板,。無論是陶瓷基板或直接銅接合基板都有24170W/m.K的高傳導率,，其中直接銅接合基板更允許制程溫度、運作溫度達800℃以上,，不過這些技術都有待更進一步的成熟觀察,。
備注：Philips公司的彩色動態(tài)式LED照明模塊，四組燈泡內各有一個1W的高亮度,、高功率LED,，且分別是紅、綠,、藍,、琥珀等四種顏色，主要用于購物場所的氣氛照明,、墻壁色調的改變,、建筑物的戶外特效照明等,。