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個月至24個月可提升一倍的亮度,，而在往后的10年內(nèi),，預(yù)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(rèn)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(xué)工業(yè)（Nichia）已經(jīng)開始提供可達100lm/W白光LED的工程樣品，預(yù)計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℃/W～10℃/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(dāng)更加沒有散熱問題不是,？其實，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╇妷河挟悾诖藭呵液雎源艘徊町悺?/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(dāng)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1~4顆,，照明燈泡約1~8顆，投影機內(nèi)10多顆,，不過閃光燈使用機會少,，點亮?xí)r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(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（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，因為風(fēng)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(dāng)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(zhǔn)，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）。
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,。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。
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(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(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（l 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），以此來強化散熱效果,，而這片金屬位在印刷電路板內(nèi),，所以才稱為「l Core」，MCPCB的熱傳導(dǎo)效率就高于傳統(tǒng)FR4 PCB,，達1W/m.K～2.2W/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(dǎo)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(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 l 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1.1;2W/m.K，比之前高出3;7倍的傳導(dǎo)效率,。更進一步的,，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,，因為過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)計而鑿,。
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(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,。