高功率LED散熱技術與發展趨勢

前言：發光二極體(LED)具有低耗能、省電、壽命長、耐用等優點，因而被各方看好將取代傳統照明成為未來照明光源。然而，隨著功率增加，LED所產生電熱流之廢熱無法有效散出，導致發光效率嚴重下降。LED使用壽命的定義為，當LED發光效率低於原發光效率之70%時，可視為LED壽命終結。LED發光效率會隨著使用時間及次數而降低，而過高的接面溫度則會加速LED發光效率衰減，故散熱成LED顯學。

本文：
隨著晶片技術的日益成熟，單一的LED晶片輸入功率可達到5W，甚至更高，所以防止LED工作溫度過高也越來越顯得重要。若不能有效的將晶片熱量散出，接踵而來的熱效應也會變得越來越明顯，使得晶片接面溫度升高，進而直接減少晶片射出的光子能量，降低出光效率。溫度的升高也會使得晶片發射出的光譜產生紅移，色溫品質下降。

假設當LED的p-n接面溫度(Junction Temperature)為25℃(典型工作溫度)時亮度為100，則溫度升高至75℃時亮度就減至80，到125℃則剩60，到175℃時只剩40。很明顯地，接面溫度與發光亮度是呈反比的線性關係。

除了照明品質，高溫對LED壽命也有極大的影響。溫度對亮度的影響是線性的，但對壽命的影響卻是指數性的，同樣以接面溫度為準，若一直保持50℃以下使用，則LED有近20,000小時的使用壽命，75℃則只剩10,000小時的使用壽命，100℃剩5,000小時，125℃剩2,000小時，150℃剩1,000小時。溫度光從50℃變成兩倍的100℃，使用壽命就從20,000 小時縮短1/4倍的5,000小時，所以熱會極度影響LED的使用壽命。

針對LED發熱關鍵點的深入研究

LED 整體發熱量雖然不高，但換算成單位體積發熱量時，卻遠遠超過其他光源。熱量的傳遞路徑主要分為三種型態，分別為熱傳導傳遞(conduction heat transfer)、熱對流傳遞(convection heat transfer)、熱輻射傳遞(radiation heat transfer)。LED對於三種熱傳導方式的依賴程度相差甚大。LED可從空氣中散熱、亦有熱能直接由基板導出、或經由金線將熱能導出，若為共晶及Flip chip製程，熱能將經由通孔至系統電路板而導出。

LED各部位熱流量所佔比例，其中以鋁基板(MCPCB)和電極引腳(Lead)所佔熱流比例最大，由於LED接面溫度較其他光源溫度低許多，故熱能無法以輻射模式與光一同射出去，所以LED有大約90%之多餘熱以熱傳導方式向外擴散，在高電流強度作用下，LED晶片接面溫度升高，需要有良好的LED 封裝及模組設計，來提供LED適當熱傳導途徑，以降低接面溫度。

不同封裝方式，也有很大的影響，例如有專家以SiC及Sapphire兩種不同封裝方式之晶片，搭配ANSYS之有限元素套裝軟體，進行熱模擬分析比較，兩種不同封裝方式之晶片發熱量皆為1W。在該實驗中SiC封裝方式之晶片溫度分佈較均勻，且接面溫度也較低，此與SiC之高熱傳導係數有關。利用紅外線熱影像儀，實際拍攝SiC及Sapphire兩種不同封裝方式之晶片表面溫度。SiC封裝方式之晶片表面最大溫度溫差約為2℃，而Sapphire封裝方式之晶片表面最大溫度溫差約為43℃。就因熱膨脹係數不同而產生之熱應力問題而言，SiC封裝方式可得較低熱應力。

散熱設計通常有5個控制變因，分別為LED間距、介電層厚度、電路層厚度、銲錫厚度以及環境溫度。通常LED間距為五個控制因子中，影響較大之控制因子。然而，LED間距因混光及光均勻度之光學設計需求，並無法任意改變。除了利用LED封裝及LED模組設計，使接面溫度降低，LED壽命及可靠度上升以外，提高LED對高接面溫度抵抗力也是一種方法，但於製程之後想改善LED之散熱情況，仍須考慮其散熱模組之設計。

此外，LED 除了考慮晶片溫度之外，仍需考慮以熱阻大小(熱量傳遞至每個傳輸介質，在介質兩側所產生之溫差，除以發熱瓦數，即可求出熱阻值，熱阻的定義就類似電阻一樣)來判斷散熱效率的好壞，在LED散熱設計時，需降低LED整體封裝熱阻值，以確保元件穩定。

故高亮度高功率LED皆採用封裝體之結構來保護發光部分之接面位置，針對LED接面散熱之主要散熱途徑為熱傳導，此點由LED封裝設計與材料著手，使其接面溫度容易傳遞至外界。再經由LED模組設計來讓外部之熱量易於散去。其中，LED封裝中的基座部分，大多採用金屬材料，其熱傳導係數較高，且為熱傳導主要途徑。

經散熱良好設計與材料匹配之LED封裝體，尚需搭配散熱良好之LED模組設計，才可有效將熱量導至外部環境，長時間使用下使接面溫度降低以提高LED 之發光效率。不過散熱的基礎還是在於基板。

高散熱能力基板雖成本高 然預計將快速成長

LED的散熱措施，能夠發揮的主要部分，為LED晶粒與元件本身承載晶粒的載板，與LED元件與安裝於系統主機板上的電路基板兩個部位做強化，在實務上，承載LED晶粒的載板屬於LED封裝製程中可以介入控制的關鍵點，而LED元件與所安裝的電路基板散熱關係，則是一般LED模組廠所關注的散熱改善重點。

LED常見基板通常有四類：傳統且非常成熟的PCB、發展中的金屬基板(MCPCB)、以陶瓷材料為主的陶瓷基板(Ceramic)、覆銅陶瓷基板(DBC)。其中覆銅陶瓷基板是將銅箔直接燒結到陶瓷表面，而形成的一種複合基板。PCB及MCPCB可使用於一般LED應用之產品。不過當單位熱流密度較高時，LED散熱基板主要採用金屬基板及陶瓷基板兩類強化散熱。金屬基板以鋁(Al)及銅(Cu)為材料，可分為「金屬基材(metal base)」、「金屬蕊(metal core)」。金屬基板製程尚需多一道絕緣層處理，目前全球主要散熱絕緣膠廠商以美商及日商為主。

另一類是採用AlN、SiC、BeO等絕緣材料為主的陶瓷基板，由於本身材料就已經絕緣，因此不需要有絕緣層的處理。此外，陶瓷基板所能承受的崩潰電壓，擊穿電壓(Break-down voltage)也較高，此外，其熱膨脹系數匹配性佳，可減少熱應力及熱變形產生也是優點，可以說相當適合LED應用，目前確實已經有相當多LED產品採用，但目前價格仍貴，約為金屬基板的2~3倍，因此要大規模普及，還有待降低相關成本。