中心議題：

• 高亮度LED原理技術

解決方案：

• 從傳統FR4PCB到金屬核心的MCPCB
• IMS強化MCPCB在絕緣層上的熱傳導

過去LED隻能拿來做為狀態指示燈的時代，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，並開始用於背光與電子照明等應用後，LED的封裝散熱問題已悄然浮現。

過去LED隻能拿來做為狀態指示燈的時代，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，並開始用於背光與電子照明等應用後，LED的封裝散熱問題已悄然浮現。

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LumiledsLighting公司RolandHaitz先生依據過去的觀察所理出的一個經驗性技術推論定律
，從1965年第一個商業化的LED開始算
，在這30多年的發展中，LED約每18個月;24個月可提升一倍的亮度，而在往後的10年內，預計亮度可以再提升20倍，而成本將降至現有的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Haitz定律的推論，亮度達100lm/W（每瓦發出100流明）的LED約在2008年;2010年間出現，不過實際的發展似乎已比定律更超前，2006年6月日亞化學工業（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RolandHaitz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，但價格將隻有現在的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（ThermalResistance）為360℃/W，之後降至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℃
，現在則是相同消耗1瓦電能
，溫度卻隻上升6℃;10℃。

少顆數高亮度、多顆且密集排布是增熱元凶

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
；不在傳統封裝
，而在新封裝
、新應用上。

首先，過往隻用來當指示燈的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
、甚至數十倍（注2）。

注1：現有高功率型LED的作法，除了將單一發光裸晶的麵積增大外，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，發熱自然也會倍增，如此散熱情況當然會惡化，但很不幸的，由於要將白光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
，如此隻是高亮度是不夠的
，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duo顆ke
，不bu過guo閃shan光guang燈deng使shi用yong機ji會hui少shao，點dian亮liang時shi間jian不bu長chang，單dan顆ke的de照zhao明ming燈deng泡pao則ze有you較jiao寬kuan裕yu的de周zhou遭zao散san熱re空kong間jian，而er投tou影ying機ji內nei雖sui無wu寬kuan裕yu散san熱re空kong間jian但dan卻que可ke裝zhuang置zhi散san熱re風feng扇shan。

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範疇內
，範疇之下的僅有20％。
　
可是
，現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
，例如交通號誌燈
、訊息廣告牌的走馬燈

、用LED組湊成的電視牆等
，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ye要yao密mi集ji排pai列lie，且qie為wei了le講jiang究jiu短duan小xiao輕qing薄bo

，使shi背bei部bu可ke用yong的de散san熱re設she計ji空kong間jian更geng加jia拘ju限xian，且qie若ruo高gao標biao要yao求qiu來lai看kan也ye不bu應ying使shi用yong散san熱re風feng扇shan，因yin為wei風feng扇shan的de吵chao雜za聲sheng會hui影ying響xiang電dian視shi觀guan賞shang的de品pin味wei情qing緒xu。

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
，如此會有什麼影響嗎？關於此最主要的影響有二：(1)發光亮度減弱、(2)使用壽命衰減。

舉例而言，當LED的p-n接麵溫度（JunctionTemperature）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℃時隻剩40。很明顯的，接麵溫度與發光亮度是呈反比線性的關係，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性
，同樣以接麵溫度為準，若一直保持在50℃以下使用則LED有近20,000小時的壽命
，75℃則隻剩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。
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裸晶層：光熱一體兩麵的發散源頭：p-n接麵

關於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接麵部分，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
，以此來降低發熱。

如果更進一步討論，電光轉換效率即是內部量子化效率（InternalQuantumEfficiency；IQE），今日一般而言都已有70％∼90％的水平，真正的症結在於外部量子化效率（ExternalQuantumEfficiency
；EQE）的低落。

以LumiledsLighting公司的Luxeon係列LED為例
，Tj接麵溫度為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方麵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）。

從Lumileds公司Luxeon係列LED的橫切麵可以得知，矽封膠固定住LED裸晶與裸晶上的熒光質（若有用上熒光質的話），然後封膠之上才有透鏡，而裸晶下方用焊接（或導熱膏）與矽子鑲嵌芯片（SiliconSub-mountChip）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係列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SiliconSubmount內製出兩個基納二極管（ZenerDiode），使LED獲得穩壓效果
，使運作表現更穩定。

由於增加光取出率（ExtractionEfficiency，也稱：汲光效率、光取效率）也就等於減少熱發散率
，等於是一個課題的兩麵
，而關於光取出率的提升請見另一篇專文：高亮度LED之「封裝光通」原理技術探析。在此不再討論。

裸晶層：基板材料
、覆晶式鑲嵌

如何在裸晶層麵增加散熱性
，改變材質與幾何結構再次成為必要的手段，關於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
，基板的材料並不是說換就能換
，必須能與裸晶材料相匹配才行，現有AlGaInP常用的基板材料為GaAs
、Si

，InGaN則為SiC、Sapphire（並使用AlN做為緩衝層）。

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，運用更底部的鋁或銅等熱傳導性較佳的金屬來加速散熱，不過也因絕緣層的特性使其熱傳導受到若幹限製。（製圖：郭長佑）

對光而言
，基板不是要夠透明使其不會阻礙光，就是在發光層與基板之間再加入一個反光性的材料層
，以此避免「光能」被基板所阻礙
、吸收，形成浪費，例如GaAs基板即是不透光
，因此再加入一個DBR（DistributedBraggReflector）反射層來進行反光。而Sapphire基板則是可直接反光
，或透明的GaP基板可以透光。

除此之外
，基板材料也必須具備良好的熱傳導性，負責將裸晶所釋放出的熱，迅速導到更下層的散熱塊（HeatSlug）上
，不過基板與散熱塊間也必須使用熱傳導良好的介接物，如焊料或導熱膏。同時裸晶上方的環氧樹脂或矽樹脂（即是指：封膠層）等也必須有一定的耐熱能力，好因應從p-n接麵開始，傳導到裸晶表麵的溫度。

除(chu)了(le)強(qiang)化(hua)基(ji)板(ban)外(wai)，另(ling)一(yi)種(zhong)作(zuo)法(fa)是(shi)覆(fu)晶(jing)式(shi)鑲(xiang)嵌(qian)
，將(jiang)過(guo)去(qu)位(wei)於(yu)上(shang)方(fang)的(de)裸(luo)晶(jing)電(dian)極(ji)轉(zhuan)至(zhi)下(xia)方(fang)，電(dian)極(ji)直(zhi)接(jie)與(yu)更(geng)底(di)部(bu)的(de)線(xian)箔(bo)連(lian)通(tong)，如(ru)此(ci)熱(re)也(ye)能(neng)更(geng)快(kuai)傳(chuan)導(dao)至(zhi)下(xia)方(fang)，此(ci)種(zhong)散(san)熱(re)法(fa)不(bu)僅(jin)用(yong)在(zai)LED上
，現今高熱的CPU、GPU也早就實行此道來加速散熱。

從傳統FR4PCB到金屬核心的MCPCB

將熱導到更下層後

，就過去而言是直接運用銅箔印刷電路板（PrintedCircuitBoard
；PCB）來散熱，也就是最常見的FR4印刷電路基板，然而隨著LED的發熱愈來愈高，FR4印刷電路基板已逐漸難以消受，理由是其熱傳導率不夠（僅0.36W/m.K）。

為了改善電路板層麵的散熱

，因此提出了所謂的金屬核心的印刷電路板（MetalCorePCB；MCPCB），即是將原有的印刷電路板附貼在另外一種熱傳導效果更好的金屬上（如：鋁、銅）

，以此來強化散熱效果

，而這片金屬位在印刷電路板內，所以才稱為「MetalCore」，MCPCB的熱傳導效率就高於傳統FR4PCB，達1W/m.K∼2.2W/m.K。

不過
，MCPCB也有些限製
，在電路係統運作時不能超過140℃
，這個主要是來自介電層（DielectricLayer
，也稱InsulatedLayer，絕緣層）的特性限製

，此外在製造過程中也不得超過250℃;300℃，這在過錫爐時前必須事先了解。

附注：雖然鋁
、銅都是合適的熱導熱金屬
，不過礙於成本多半是選擇鋁材質。

IMS強化MCPCB在絕緣層上的熱傳導

MCPCB雖然比FR4PCB散熱效果佳，但MCPCB的介電層卻沒有太好的熱傳導率，大體與FR4PCB相同，僅0.3W/m.K，成為散熱塊與金屬核心板間的傳導瓶頸。

為了改善此一情形，有業者提出了IMS（InsulatedMetalSubstrate，絕緣金屬基板）的改善法
，將高分子絕緣層及銅箔電路以環氧方式直接與鋁

、銅板接合，然後再將LED配置在絕緣基板上，此絕緣基板的熱傳導率就比較高，達1.1;2W/m.K，比之前高出3;7倍的傳導效率。

更進一步的，若絕緣層依舊被認為是導熱性不佳

，也有直接讓LED底部的散熱塊，透過在印刷電路板上的穿孔（ThroughHole）作(zuo)法(fa)，使(shi)其(qi)直(zhi)接(jie)與(yu)核(he)心(xin)金(jin)屬(shu)接(jie)觸(chu)，以(yi)此(ci)加(jia)速(su)散(san)熱(re)。此(ci)作(zuo)法(fa)很(hen)耐(nai)人(ren)尋(xun)味(wei)，因(yin)為(wei)過(guo)去(qu)的(de)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)不(bu)是(shi)為(wei)插(cha)件(jian)組(zu)件(jian)焊(han)接(jie)而(er)鑿(zao)，就(jiu)是(shi)為(wei)線(xian)路(lu)繞(rao)徑(jing)而(er)鑿(zao)，如(ru)今(jin)卻(que)是(shi)為(wei)散(san)熱(re)設(she)計(ji)而(er)鑿(zao)。

除了MCPCB、MCPCB＋IMS法之外，也有人提出用陶瓷基板（CeramicSubstrate）

，或者是所謂的直接銅接合基板（DirectCopperBondedSubstrate
，簡稱：DBC）
，或是金屬複合材料基板。無論是陶瓷基板或直接銅接合基板都有24∼170W/m.K的高傳導率，其中直接銅接合基板更允許製程溫度、運作溫度達800℃以上，不過這些技術都有待更進一步的成熟觀察。