前言：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(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經(jīng)驗性技術(shù)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(nèi)，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(jīng)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(chǎn)。 

　　備注：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(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(yīng)當更加沒有散熱問題不是,？其實,，應(yīng)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(yīng)用上,。

　　首先，過往只用來當指示燈的LED,，每單一顆的點亮（順向?qū)ǎ╇娏鞫嘣?mA30mA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(nèi)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?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(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14顆，照明燈泡約18顆,，投影機內(nèi)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(nèi)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(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(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)計空間更加拘限，且若高標要求來看也不應(yīng)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(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(guān)系,，溫度愈升高，LED亮度就愈轉(zhuǎn)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(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(zhì)（若有用上螢光質(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(zhì)作為光反射層,，進而增加光取出量,，此外也在Silicon Submount內(nèi)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(guān)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(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(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）。 

　　備注：為了強化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?qū)岣唷Ｍ瑫r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(yīng)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(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(nèi),，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(zhì)。

　　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(shè)計而鑿。

　　結(jié)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(shù)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(nèi)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(diào)的改變、建筑物的戶外特效照明等,。