大功率LED封装散热设计原理的分析

过去LED只能拿来做为状态指示灯的时代，其封装散热从来就不是问题，但近年来LED的亮度，功率皆积极提升，并开始用于背光与电子照明等应用后，LED的封装散热问题已悄然浮现。上述的讲法听来有些让人疑惑，今日不是一直强调LED的亮度突破吗?2003年Lumileds Lighting公司Roland Haitz先生依据过去的观察所理出的一个经验性技术推论定律，从1965年第一个商业化的LED开始算，在这30多年的发展中，LED约每18个月至24个月可提升一倍的亮度，而在往后的10年内，预计亮度可以再提升20倍，而成本将降至现有的1/10，此也是近年来开始盛行的Haitz定律，且被认为是LED界的Moore(摩尔)定律。
依据Haitz定律的推论，亮度达100lm/W(每瓦发出100流明)的LED约在2008年;2010年间出现，不过实际的发展似乎已比定律更超前，2006年6月日亚化学工业(Nichia)已经开始提供可达100lm/W白光LED的工程样品，预计年底可正式投入量产。
Haitz定律可说是LED领域界的Moore定律，根据Roland Haitz的表示，过去30多年来LED几乎每18;24个月就能提升一倍的发光效率，也因此推估未来的10年(2003年;2013年)将会再成长20倍的亮度，但液位变送器价格将只有现在的1/10。不仅亮度不断提升，LED的散热技术也一直在提升，1992年一颗LED的热阻抗(Thermal Resistance)为360℃/W，之后降至125℃/W、75℃/W、15℃/W，而今已是到了每颗6℃/W～10℃/W的地步，更简单说，以往LED每消耗1瓦的电能，温度就会增加360℃，现在则是相同消耗1瓦电能，温度却只上升6℃~10℃。
少颗数高亮度、多颗且密集排布是增热元凶
既然亮度效率提升、散热效率提升，那不是更加矛盾?应当更加没有散热问题不是?其实，应当更严格地说，散热问题的加剧，不在高亮度，而是在高功率;不在传统封装，而在新封装、新应用上。
首先，过往只用来当指示灯的LED，每单一颗的点亮(顺向导通)电流多在5mA;30mA间，典型而言则为20mA，而现在的高功率型LED(注1)，则是每单一颗就会有330mA;1A的电流送入，「每颗用电」增加了十倍、甚至数十倍(注2)。
注1：现有高功率型LED的作法，除了将单一发光裸晶的面积增大外，也有实行将多颗裸晶一同封装的作法。事实上有的白光LED即是在同一封装内放入红、绿、蓝3个原色的裸晶来混出白光。
注2：虽然各种LED的点亮(顺向导通)电压有异，但在此暂且忽略此一差异。
在相同的单颗封装内送入倍增的电流，发热自然也会倍增，如此散热情况当然会恶化，但很不幸的，由于要将白光LED磁翻板液位计拿来做照相手机的闪光灯、要拿来做小型照明用灯泡、要拿来做投影机内的照明灯泡，如此只是高亮度是不够的，还要用上高功率，这时散热就成了问题。上述的LED应用方式，仅是使用少数几颗高功率LED，闪光灯约1~4颗，照明灯泡约1~8颗，投影机内10多颗，不过闪光灯使用机会少，点亮时间不长，单颗的照明灯泡则有较宽裕的周遭散热空间，而投影机内虽无宽裕散热空间但却可装置散热风扇。
图中为InGaN与AlInGaP两种LED用的半导体材料，在各尖峰波长(光色)下的外部量子化效率图，虽然最理想下可逼近40%，但若再将光取效率列入考虑，实际上都在15%;25%间，何况两种材料在更高效率的部分都不在人眼感受性的范畴内，范畴之下的仅有20%。可是，现在还有许多应用是需要高亮度，但又需要将高亮度LED密集排列使用的，例如交通号志灯、讯息广告牌的走马灯、用LED组凑成的电视墙等，密集排列的结果便是不易散热，这是应用所造成的散热问题。更有甚者，在液晶电视的背光上，既是使用高亮度LED，也要密集排列，且为了讲究短小轻薄，使背部可用的散热设计空间更加拘限，且若高标要求来看也不应使用散热风扇，因为风扇的吵杂声会影响电视观赏的品味情绪。
散热问题不解决有哪些副作用
好!倘若不解决散热问题，而让LED的热无法排解，进而使LED的工作温度上升，如此会有什么影响吗?关于此最主要的影响有二：(1)发光亮度减弱、(2)使用寿命衰减。举例而言，当LED的p-n接面温度(Junction Temperature)为25℃(典型工作温度)时亮度为100，而温度升高至75℃时亮度就减至80，到125℃剩60，到175℃时只剩40。很明显的，接面温度与发光亮度是呈反比线性的关系，温度愈升高，LED亮度就愈转暗。
温度对亮度的影响是线性，但对压力表寿命的影响就呈指数性，同样以接面温度为准，若一直保持在50℃以下使用则LED有近20，000小时的寿命，75℃则只剩10，000小时，100℃剩5，000小时，125℃剩2，000小时，150℃剩1，000小时。温度光从50℃变成2倍的100℃，使用寿命就从20，000小时缩成1/4倍的5，000小时，伤害极大。
裸晶层：光热一体两面的发散源头：p-n接面
关于LED的散热我们同样从最核心处逐层向外讨论，一起头也是在p-n接面部分，解决方案一样是将电能尽可能转化成光能，而少转化成热能，也就是光能提升，热能就降低，以此来降低发热。如果更进一步讨论，电光转换效率即是内部量子化效率(Internal Quantum Efficiency;IQE)，今日一般而言都已有70%～90%的水平，真正的症结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为例，Tj接面温度为25℃，顺向驱动电流为350mA，如此以InGaN而言，随着波长(光色)的不同，其效率约在5%～27%之间，波长愈高效率愈低(草绿色仅5%，蓝色则可至27%)，而AlInGaP方面也是随波长而有变化，但却是波长愈高效率愈高，效率大体从8%～40%(淡黄色为低，橘红最高)。
从Lumileds公司Luxeon系列LED的横切面可以得知，硅封胶固定住LED裸晶与裸晶上的荧光质(若有用上荧光质的话)，然后封胶之上才有透镜，而裸晶下方用焊接(或导热膏)与硅子镶嵌芯片(SILICON Sub-mount Chip)连接，此芯片也可强化ESD静电防护性，往下再连接散热块，部分LED也直接裸晶底部与散热块相连。
Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶实行覆晶镶嵌法，因此其蓝宝石基板变成在上端，同时还加入一层银质作为光反射层，进而增加光取出量，此外也在Silicon Submount内制出两个基纳二极管 (Zener Diode)，使LED获得稳压效果，使运作表现更稳定。由于增加光取出率(Extraction Efficiency，也称：汲光效率、光取效率)也就等于减少热发散率，等于是一个课题的两面。
裸晶层：基板材料、覆晶式镶嵌
如何在裸晶层面增加散热性，改变材质与几何结构再次成为必要的手段，关于此目前最常用的两种方式是：1.换替基板(Substrate，也称：底板、衬底，有些地方也称为：Carrier)的材料。2.经裸晶改采覆晶(FLIP-CHIP，也称：倒晶)方式镶嵌(mount)。先说明基板部分，基板的材料并不是说换就能换，必须能与裸晶材料相匹配才行，现有AlGaInP常用的基板材料为GaAs、Si，InGaN则为SiC、Sapphire(并使用AlN做为缓冲层)。
为了强化LED的散热，过去的FR4印刷电路板已不敷应付，因此提出了内具金属核心的印刷电路板，称为MCPCB，运用更底部的铝或铜等热传导性较佳的金属来加速磁性浮子液位计的散热，不过也因绝缘层的特性使其热传导受到若干限制。对光而言，基板不是要够透明使其不会阻碍光，就是在发光层与基板之间再加入一个反光性的材料层，以此避免「光能」被基板所阻碍、吸收，形成浪费，例如GaAs基板即是不透光，因此再加入一个DBR(Distributed Bragg Reflector)反射层来进行反光。而Sapphire基板则是可直接反光，或透明的GaP基板可以透光。除此之外，基板材料也必须具备良好的热传导性，负责将裸晶所释放出的热，迅速导到更下层的散热块(Heat Slug)上，不过基板与散热块间也必须使用热传导良好的介接物，如焊料或导热膏。同时裸晶上方的环氧树脂或硅树脂(即是指：封胶层)等也必须有一定的耐热能力，好因应从p-n接面开始，传导到裸晶表面的温度。除了强化基板外，另一种作法是覆晶式镶嵌，将过去位于上方的裸晶电极转至下方，电极直接与更底部的线箔连通，如此热也能更快传导至下方，此种散热法不仅用在LED上，现今高热的CPU、GPU也早就实行此道来加速散热。
从传统FR4 PCB到金属核心的MCPCB
将热导到更下层后，就过去而言是直接运用铜箔印刷电路板(Printed CIRCUIT Board;PCB)来散热，也就是最常见的FR4印刷电路基板，然而随着LED的发热愈来愈高，FR4印刷电路基板已逐渐难以消受，理由是其热传导率不够(仅0.36W/m.K)。
为了改善电路板层面的散热，因此提出了所谓的金属核心的印刷电路板(l Core PCB;MCPCB)，即是将原有的印刷电路板附贴在另外一种热传导效果更好的金属上(如：铝、铜)，以此来强化散热效果，而这片金属位在印刷电路板内，所以才称为「l Core」，MCPCB的热传导效率就高于传统FR4 PCB，达1W/m.K～2.2W/m.K。
不过，MCPCB也有些限制，在电路系统运作时不能超过140℃，这个主要是来自介电层(Dielectric Layer，也称INSULATED Layer，绝缘层)的特性限制，此外在制造过程中也不得超过250℃;300℃，这在过锡炉时前必须事先了解。
附注：虽然铝、铜都是合适的热导热金属，不过碍于成本多半是选择铝材质。
IMS强化MCPCB在绝缘层上的热传导
MCPCB虽然比FR4 PCB散热效果佳，但MCPCB的介电层却没有太好的热传导率，大体与FR4 PCB相同，仅0.3W/m.K，成为散热块与金属核心板间的传导瓶颈。为了改善此一情形，有业者提出了IMS(Insulated l Substrate，绝缘金属基板)的改善法，将高分子绝缘层及铜箔电路以环氧方式直接与铝、铜板接合，然后再将LED配置在绝缘基板上，此绝缘基板的热传导率就比较高，达1.1;2W/m.K，比之前高出3;7倍的传导效率。更进一步的，若绝缘层依旧被认为是导热性不佳，也有直接让LED底部的散热块，透过在印刷电路板上的穿孔(Through Hole)作法，使其直接与核心金属接触，以此加速散热。此作法很耐人寻味，因为过去的印刷电路板不是为插件组件焊接而凿，就是为线路绕径而凿，如今却是为散热设计而凿。
除了MCPCB、MCPCB+IMS法之外，也有人提出用陶瓷基板(Ceramic Substrate)，或者是所谓的直接铜接合基板(Direct Copper Bonded Substrate，简称：DBC)，或是金属复合材料基板。无论是陶瓷基板或直接铜接合基板都有24～170W/m.K的高传导率，其中直接铜接合基板更允许制程温度、运作温度达800℃以上，不过这些技术都有待更进一步的成熟观察。