高功率LED散熱限制與改良設計關鍵

高功率的LED需輔以更完善的散熱設計延長其壽命與維持發光效果(lumex)

前言：
發光二極體(LED)由於發光原理的差異，明顯異於一般燈具的發光技術，因此具備低能耗、省電、壽命長與耐用等優點，在各方強調「節能」的應用大前提下，LED用於取代傳統光源的應用方式，自然而然成為業者看好的發光技術，成為極具未來發展前景的照明光源。然而，LED為點狀光源，其發光過程所產生的熱源全部集中在單一點，而隨著功率增加、LED所產生廢熱無法有效散出，將導致發光效率下降，改善散熱效率為發展生活照明應用的重要關鍵...

本文：
LED使用壽命一般定義為當LED發光效率低於70%，即可視為LED壽命達到更換的程度，一般LED的發光效率會隨使用時間增長與應用次數增多而持續降低，至於過高元件與接面溫度，也會加速LED發光效率衰減。

LED晶片技術日益成熟，觀察單一LED的晶片輸入功率，目前已可達5W或更高狀態，雖說如此畢竟應用溫度過高也會加速產品老化，一般的作法是透過主、被動冷卻手段，防止LED工作溫度持續增高，若不能有效將晶片接面與本體的熱散出，元件本身所產生熱效應會變得越來越顯著，即先前提到的加速元件衰竭、減少壽命的使用問題，當接面溫度升高也會影響晶片產生亮度，溫度升高也會使發射光譜產生紅移、色溫品質下降。

LED的p-n接面溫度 影響發光效果甚巨

當LED發光二極體的p-n接面，溫度(Junction Temperature)達25℃的典型工作溫度時，此時LED的亮度定義為100，若溫度升高至75℃狀態，亮度會持續遞減至80，若持續加溫至元件至125℃，發光亮度可能僅達到60以下！接面溫度與發光亮度呈反比線性關係相當明確。

接面溫度除影響照明品質，元件的高溫也會對使用壽命產生極大影響，一般而言，溫度與亮度的相關性為線性遞減，但相對於「壽命」，其影響卻是呈現指數遞減狀態，影響的層面更為顯著。

同樣採接面溫度為分析比較的基礎，若元件持續40~50℃則LED可達到20,000小時運作壽命，若元件溫度為60~75℃測試結果會僅剩10,000小時使用壽命，再將元件的環境與接面溫度提升至100℃以上，元件壽命會僅剩5,000小時！元件與環境溫度會大幅影響LED使用壽命的結果相當顯著。

針對LED發熱單點進行高效散熱

即便LED本身在中、低功率應用，整體的發熱問題不大，但若自元件的尺寸去算算發熱量，會發現LED工作中所產生的熱量，相較眾傳統光源的發熱問題，並不遑多讓。一般而言，元件的熱傳遞路徑主要可分為三種型態，分別為 熱輻射傳遞(radiation heat transfer)、熱傳導傳遞(conduction heat transfer)、熱對流傳遞(convection heat transfer)，LED在三種熱傳導方式作用方式差異相當大，可從空氣中散逸或直接由基板導出、或經由金線傳導熱能。

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。

不過，雖然知道LED高度依賴傳導散熱，但LED的封裝等特性也讓傳導成了散熱的大瓶頸，如何克服是許多專家研究的重要目標，如根據「Thermal Analysis of Filp-Chip Packaged 280nm Nitride-Based Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes」模擬分析之結果顯示，散熱的瓶頸確實在於LED接面面積，LED接面面積過小，相對其接面熱通量變相當大，則以熱傳導為主的LED封裝體較不易迅速地將熱導出。

使用高散熱性基板 散熱效果好但成本高

LED的散熱處理設計，多數會自LED晶粒與元件本身的載板下手，進行相關散熱設計改善，或與LED元件和安裝於主機板上的PCB部位進行強化，但在實務設計中，承載LED晶粒載板屬於LED封裝製程可加強技術改善的重點，但LED元件與PCB電路基板的散熱設計，一般為模組廠商的散熱改善設計關鍵。

LED常見基板相當多，傳統的方式為採相對成熟的PCB設計，或採發展中的金屬基板(MCPCB)，而較新的設計也有採陶瓷材料為主設計的陶瓷基板(Ceramic)，甚至運用單價較高的覆銅陶瓷基板(DBC)。

覆銅陶瓷基板DBC的原理是將銅箔材質，直接透過製程將之燒結至陶瓷表面處，讓基材形成的一種複合型態的基板形式。至於PCB及金屬基板MCPCB，為可使用於一般LED元件應用的產品。

當整合的LED元件可能會因為高功率或高發光效率要求，造成設計無法避免溫度增加時，LED散熱基板材料就必須選用金屬基板或陶瓷基板這兩類具備強化散熱效益的基材。至於金屬基板多以銅(Cu)、鋁(Al)為材料，可分金屬基材(metal base)、金屬蕊(metal core)，至於金屬基板製程還必須多一到工序，即將金屬基材應用絕緣層處理，這也是成本居高不下的主因。

也有常見採AlN、SiC、BeO絕緣材料材質設計的陶瓷基板，由於材料本身就具備絕緣特性，因而不需絕緣層額外工序處理，另陶瓷基板還具備多項導入優點，其可承受的電壓、擊穿電壓(Break-down voltage)較高、熱膨脹係數的匹配性極佳，所製成的元件具備低熱應力、熱變形的優點，目前已有許多高單價的LED產品導入設計，要看到大量應用還需持續壓低製作成本。

不同封裝方式設計影響大

LED的不同封裝方式，對於終端產品的散熱設計也有極大影響，若以SiC、Sapphire不同封裝晶片進行熱分析，如果採不同封裝的晶片發熱量一致，SiC封裝方式晶片溫度會呈現較均勻的分布狀態、接面溫度也相對較低，此與SiC具較高熱傳導係數有關。

此外，LED元件本身的散熱設計，還有多個可控制的變因，例如，LED介電層厚度、電路層厚度、銲錫厚度與環境溫度...等，有時礙於光均勻度的產品要求，LED必須採更密集的排布方式製作，可控制的關鍵設計就必須妥善考量，儘可能使接面溫度因設計改善而降低，進一步提升LED壽命與可靠度。

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整體封裝熱阻值確保元件能穩定運作。