高亮度LED封裝散熱設計全攻略

　　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。

　　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5mA;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1~4顆，照明燈泡約1~8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。

　　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）。（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（若有用上熒光質的話），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。

　　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）。

　　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