高功率LED的散熱設計與應用趨勢

LED光源最大的挑戰在克服光衰，光衰問題必須從散熱著手。劉家任攝

前言：隨著全球的環保意識抬頭，白熾燈泡將採取逐漸減少用量的政策，以降低環境光源所造成的大量能源浪費問題，取而代之且最具替代優勢的新世代光源，就屬LED產品莫屬。LED發展迄今已逐漸具備多項成熟優勢，例如，省電、高效率、高反應速度、壽命長，與全製程均不含汞的多項環保優點，加上體積小、重量輕與可在各種表面設置等元件特色，已成為全球燈具與元件廠積極開發的應用光源，但實際上LED在我們所輸入的能源中，僅有兩成能源可以轉換為光能，剩下的八成能源多半形成廢熱散逸...

本文：
LED雖在元件有多項環保優勢，但與一般白熾燈具一樣，燈具本身自己發光產生的熱，也會間接影響燈具自身的使用壽命，尤其是LED為點狀發光光源，其所產生的熱能也集中在極小的區域，若產生的高溫無法順利排解，那LED的結面溫度將會因此偏高，進而直接影響LED的使用壽命與發光表現。

LED的光衰問題 須透過輔助技術改善

LED雖是極具未來性的光源元件，即便具備壽命長優點，但依舊仍有其壽命限制，尤其是大功率的LED，因為其發光功率高，所加諸的電力大，工作時間超長，甚至還必須放置於戶外應用，在環境與元件本身的諸多限制，往往令其使用壽命大幅降低。

過去在元件的概念都以為，LED至少都有10萬小時壽命，其實目前的元件在實地應用時，卻不見得能達到如此高標準的壽命表現，其實問題的核心就在LED的光衰現象，一般而言，如果不考慮線路或是電源電路的故障問題，LED元件本身若發光亮度降低至原有的30%以下，就可以視此LED元件達到不堪用的程度。觀察LED的光衰現象，可以從多個層面討論，多數的白光LED是由藍光晶粒LED搭配光學塑料摻雜黃色螢光粉所呈現，以白光LED為例，其光衰現象就可以從藍光晶粒本身的光衰、與黃色螢光粉本身的光衰兩部分所組成。

在螢光粉的光衰問題，其實對於溫度的影響甚巨，而在晶粒的光衰問題，不同顏色的晶粒光衰現象亦有蠻大的差距，其光衰特性的差異視不同廠商、製程與螢光粉配方不同，都會影響其表現，很難用一致性的討論來下定論，一般LED元件的光衰表現可透過LED的廠商的測試數據，檢視其光衰曲線圖大致確認元件特性。

元件溫度將直接影響使用壽命

一般而言，LED的結面溫度與發光效率是兩組對立的數值，當結面溫度增加，發光效率也會持續降低，以實驗室的數據取一般LED為例作為參考，當結面溫度持續自室溫提升到100度時，發光效率將持續減低，最高可減少70%左右，如果取白光、藍光、紅光與黃光幾種常見LED光色產品進行評估，會發現黃光LED受熱造成的光衰現象更為顯著。

同時，若將關注焦點移轉至使用壽命部分進行微觀檢視，在測試數據可以很明顯發現在70度高溫上下運行時，LED的使用壽命即有75%衰退狀況！同理可證，若要讓LED發光源能達到最佳化的應用表現，不管是發光效率的提升、還是使用壽命的延長，LED「散熱」設計就成為相當重要的關鍵技術。

觀察LED元件的結構特性

想了解LED的散熱問題與待克服的技術瓶頸，就必須先針對LED結構特性進行觀察，了解其運作是如何產生熱源，與在不加諸任何輔助散熱措施下，LED是透過何種方式處理所產生的熱源。

基本上LED為電流驅動元件，發光的方式是於LED晶粒(Die)以共晶(Eutectic)、覆晶(Flip chip)或打金線的方式，把晶粒放置在基板上，而為了保護共晶、覆晶或打金線的線路與晶粒本身，外表覆上耐高溫的透明材料、或是光學材料。

從結構上就能發現，除了LED外覆光學材料的表面可透過接觸空氣進行熱交換的散熱行為外，LED在發光過程所產生的熱，亦可從晶粒上打的金線，直接傳導至焊接的主機板散逸熱源，此外，晶粒採共晶或覆晶所放置的System circuit board，透過表面接觸的熱傳導效果，也可散出絕大部分產生的熱源。

改善熱阻強化LED散熱效率

討論LED散熱效率前需先理解熱阻(thermal resistance)問題，熱阻是物體對熱能傳導的阻礙程度，在單位表示上為℃/W，檢言之就是針對一個物體傳熱功率為1W，而導熱物件兩個端點的溫度差異，即為該物件的熱阻值，至於檢視LED的熱阻，則是討論在LED開啟發光後，當LED元件內的晶粒熱量傳導趨於穩定時，在晶片的表面以每1W進行散逸，在LED的晶粒P/N結點的連線或散熱基板間的溫度差異，就成為LED的熱阻。

影響LED元件熱阻的因素很多，例如，LED的晶粒線路連接方式、架構，到光學覆蓋層的材料特性，都會影響LED熱阻值，而降低LED也是提升元件壽命的重要手段。此外，像是LED晶粒是採導熱膠或金屬直接相連，都會影響LED熱阻大小。

高功率LED元件 改善散熱的處理手段

檢視目前的LED散熱改善手段的處理技術瓶頸，其實LED晶粒外部的光學材料所能改善的熱交換效率有限，這是礙於勿理性的限制，改善幅度相當有限，反而是作為基板的System circuit board和晶粒上為了導通供應驅動電力的金線，算是可大幅改善LED元件散熱效率的重要關鍵處，尤其是基礎載板的散熱效能改善，投入的改善措施其效益最為顯著、實際。

而目前也有LED元件廠，嘗試從金線下手，將金線距離縮短、線徑增大，藉此提昇LED核心晶粒的散熱效能，但LED封裝手法的改善效果有限，在成本與效益上仍未能如透過基礎載板的散熱改善措施來得更具效益。

而LED的散熱措施，觀察LED元件構造會發現，散熱的關鍵會只剩下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載板兩個改善手段，基本上承載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板載板散熱關係，則是一般LED模組廠所關注的散熱改善重點。

解決LED核心熱源的散熱處理方式

在LED晶粒基板部分，主要是將LED晶粒在發光過程所產生的核心熱源，快速傳導到外部的重要關鍵，一般基於散熱考量，在高功率的LED元件方面，多數會採取散熱效率相對較佳的陶瓷基板為主，目前有薄膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷、 厚膜陶瓷基板等基板製法，高功率會產生高熱的高亮度元件，多數都採行 低溫共燒多層陶瓷或厚膜陶瓷基板，透過基礎載台本身的高熱傳導效率，去提升將核心晶粒在發光歷程所產生的高熱，快速傳導到元件外部。

從此可以理解，陶瓷散熱基板可以說是能將LED元件本身的散熱條件，一舉提升的製程材料改善手段，也是目前高功率LED的製作方式，亦有必要針對此進行深入說明。

LED薄膜陶瓷基板

與低溫共燒多層陶瓷、厚膜陶瓷基板基板技術不同的是，薄膜陶瓷基板則是採取濺鍍手段或是化學沈積方式，或佐以黃光微影製程製作，其中，透過黃光微影會使線路精密度方面遠遠超越低溫共燒多層陶瓷與厚膜陶瓷基板製作方式，而300度低溫製程可避免陶瓷基板的體積變異問題，雖然優點較多，其製作成本也相對增加。

LED低溫共燒多層陶瓷

低溫共燒多層陶瓷基板技術是採取用陶瓷材料，作為基板基礎材料的手段，製作方式是預先將相關線路透過網印手法印刷在基板表面，進而整合多層陶瓷基板製作，而最後的製程階段則是應用低溫燒結製作而成。

但低溫共燒多層陶瓷基板的製作手段繁複，加上金屬線路部分為採用網印方式處理，在對位誤差和精確度部分仍會出現可能的技術限制，而多層陶瓷結構經過燒結製作過程，也會遭遇熱脹、冷縮的問題，若想在低溫共燒多層陶瓷基板上再應用需針對對位極為精準要求的覆晶製作LED元件產品，其終端產品的良率提升將是一大挑戰。

LED厚膜陶瓷基板

厚膜陶瓷基板同樣也是採取網印方式製作，其工法是預先將材料印製到基板表面，當印刷內容物乾燥後，基板再經由燒結程序、雷射處理等步驟，完成厚膜陶瓷基板整個製作流程。

與低溫共燒多層陶瓷一樣，厚膜陶瓷基板一樣會遭遇到精密度的問題，尤其是對位會有誤差、線路型態較為粗糙，在產品不斷要求集積化、小型化的趨勢下，厚膜陶瓷基板的製作方式將會遭遇產品小型化的嚴苛挑戰，同樣在面對共晶、覆晶的製作需求時，厚膜陶瓷基板也會有對位與精確度的物理限制存在。

但前述也有提到，透過打金線的方式改善，再搭配特殊陶瓷基板的模式，對於LED元件散熱具有相當大的效益，但金線連結的散熱效能仍相當有限，近來也有多種解決方案針對此進行改善，例如採用具高散熱係數的基板材料，如以碳化矽基板或矽基板取代傳統的氧化鋁材質，或改用氮化鋁或陽極化鋁基板等手段，藉此達到內部高效散熱目的。

高功率LED元件 模組廠的散熱設計手段

而在系統電路板的部份，多半是模組廠著墨較多的改善角度，早期LED模組產品大多使用PCB材料作為架構基礎，但實際上PCB材料的散熱效率有限，近來針對高效能LED光源模組多數已逐漸導入具高效導熱的金屬基板材質取代PCB，例如鋁基板(MCPCB)或是其他利用金屬材料強化的應用基板，除了系統電路板本身的應用材質改變外，為了近一步強化散熱與熱交換效率，於模組外部也會採取設置鋁擠型散熱鰭片，或主動式散熱風扇，透過強制氣冷的手段強化加速熱散逸的目的。

在LED元件的核心，也有嘗試透過改善金線的製作邏輯，改用覆晶或共晶的模式將晶粒與外部進行連結，取得供應電源的設計方式，而透過此法所製成的LED元件，內部連接晶粒的導線從點的接觸一舉變成面的連結，熱傳導的基礎條件大幅強化，自然也能加速內部的熱源散逸到元件外部！但共晶或覆晶的製程手段成本較高，對於基板的精密度要求極高，假若基板的平整度不佳，也會影響後段成品的良率表現，其技術成熟度仍需要時間考驗。