中心議題：

• LED的散熱設計
• 元件溫度影響LED使用壽命
• LED元件的結構特性

解決方案：

• 輔助技術改善LED的光衰問題
• 改善熱阻強化LED散熱效率
• 采用高功率LED元件，改善散熱的處理手段
• 解決LED核心熱源的散熱

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的結麵溫度將會因此偏高

，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製，尤其是大功率的LED
，因(yin)為(wei)其(qi)發(fa)光(guang)功(gong)率(lv)高(gao)，所(suo)加(jia)諸(zhu)的(de)電(dian)力(li)大(da)，工(gong)作(zuo)時(shi)間(jian)超(chao)長(chang)
，甚(shen)至(zhi)還(hai)必(bi)須(xu)放(fang)置(zhi)於(yu)戶(hu)外(wai)應(ying)用(yong)

，在(zai)環(huan)境(jing)與(yu)元(yuan)件(jian)本(ben)身(shen)的(de)諸(zhu)多(duo)限(xian)製(zhi)，往(wang)往(wang)令(ling)其(qi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)大(da)幅(fu)降(jiang)低(di)。

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，可以從多個層麵討論，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zai螢ying光guang粉fen的de光guang衰shuai問wen題ti，其qi實shi對dui於yu溫wen度du的de影ying響xiang甚shen巨ju，而er在zai晶jing粒li的de光guang衰shuai問wen題ti，不bu同tong顏yan色se的de晶jing粒li光guang衰shuai現xian象xiang亦yi有you蠻man大da的de差cha距ju
，其qi光guang衰shuai特te性xing的de差cha異yi視shi不bu同tong廠chang商shang、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的結麵溫度與發光效率是兩組對立的數值，當結麵溫度增加，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
，當結麵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外覆光學材料的表麵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，晶粒采共晶或覆晶所放置的System circuit board，透過表麵接觸的熱傳導效果，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，在芯片的表麵以每1W進行散逸，在LED的晶粒P/N結點的聯機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，象是LED晶粒是采導熱膠或金屬直接相連，都會影響LED熱阻大小。
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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製，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，嚐試從金線下手
，將金線距離縮短
、線徑增大
，藉此提升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，散熱的關鍵會隻剩下LED晶粒與元件本身承載晶粒的載板，與LED元件與安裝於係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製的關鍵點，而LED元件與所安裝的電路板載板散熱關係
，則是一般LED模塊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元件方麵，多數會采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，多數都采行 低(di)溫(wen)共(gong)燒(shao)多(duo)層(ceng)陶(tao)瓷(ci)或(huo)厚(hou)膜(mo)陶(tao)瓷(ci)基(ji)板(ban)
，透(tou)過(guo)基(ji)礎(chu)載(zai)台(tai)本(ben)身(shen)的(de)高(gao)熱(re)傳(chuan)導(dao)效(xiao)率(lv)，去(qu)提(ti)升(sheng)將(jiang)核(he)心(xin)晶(jing)粒(li)在(zai)發(fa)光(guang)曆(li)程(cheng)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)高(gao)熱(re)
，快(kuai)速(su)傳(chuan)導(dao)到(dao)元(yuan)件(jian)外(wai)部(bu)。

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hou膜mo陶tao瓷ci基ji板ban基ji板ban技ji術shu不bu同tong的de是shi，薄bo膜mo陶tao瓷ci基ji板ban則ze是shi采cai取qu濺jian鍍du手shou段duan或huo是shi化hua學xue沈shen積ji方fang式shi，或huo佐zuo以yi黃huang光guang微wei影ying製zhi程cheng製zhi作zuo，其qi中zhong，透tou過guo黃huang光guang微wei影ying會hui使shi線xian路lu精jing密mi度du方fang麵mian遠yuan遠yuan超chao越yue低di溫wen共gong燒shao多duo層ceng陶tao瓷ci與yu厚hou膜mo陶tao瓷ci基ji板ban製zhi作zuo方fang式shi，而er300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di溫wen共gong燒shao多duo層ceng陶tao瓷ci基ji板ban技ji術shu是shi采cai取qu用yong陶tao瓷ci材cai料liao，作zuo為wei基ji板ban基ji礎chu材cai料liao的de手shou段duan

，製zhi作zuo方fang式shi是shi預yu先xian將jiang相xiang關guan線xian路lu透tou過guo網wang印yin手shou法fa印yin刷shua在zai基ji板ban表biao麵mian，進jin而er整zheng合he多duo層ceng陶tao瓷ci基ji板ban製zhi作zuo，而er最zui後hou的de製zhi程cheng階jie段duan則ze是shi應ying用yong低di溫wen燒shao結jie製zhi作zuo而er成cheng。

但(dan)低(di)溫(wen)共(gong)燒(shao)多(duo)層(ceng)陶(tao)瓷(ci)基(ji)板(ban)的(de)製(zhi)作(zuo)手(shou)段(duan)繁(fan)複(fu)，加(jia)上(shang)金(jin)屬(shu)線(xian)路(lu)部(bu)分(fen)為(wei)采(cai)用(yong)網(wang)印(yin)方(fang)式(shi)處(chu)理(li)，在(zai)對(dui)位(wei)誤(wu)差(cha)和(he)精(jing)確(que)度(du)部(bu)分(fen)仍(reng)會(hui)出(chu)現(xian)可(ke)能(neng)的(de)技(ji)術(shu)限(xian)製(zhi)
，而(er)多(duo)層(ceng)陶(tao)瓷(ci)結(jie)構(gou)經(jing)過(guo)燒(shao)結(jie)製(zhi)作(zuo)過(guo)程(cheng)，也(ye)會(hui)遭(zao)遇(yu)熱(re)脹(zhang)、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采取網印方式製作
，其工法是預先將材料印製到基板表麵，當印刷內容物幹燥後，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，同樣在麵對共晶
、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製存在。

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LEDyuanjiansanrejuyouxiangdangdadexiaoyi
，danjinxianlianjiedesanrexiaonengrengxiangdangyouxian
，jinlaiyeyouduozhongjiejuefanganzhenduicijinxinggaishan，lirucaiyongjugaosanrexishudejibancailiao，ruyitanhuaguijibanhuoxijibanqudaichuantongdeyanghualvcaizhi
，huogaiyongdanhualvhuoyangjihualvjibandengshouduan，jicidadaoneibugaoxiaosanremude。

高功率LED元件 模塊廠的散熱設計手段

而在係統電路板的部份，多半是模塊廠著墨較多的改善角度，早期LED模塊產品大多使用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光源模塊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)huoshiqitaliyongjinshucailiaoqianghuadeyingyongjiban，chulexitongdianlubanbenshendeyingyongcaizhigaibianwai，weilejinyibuqianghuasanreyurejiaohuanxiaolv

，yumokuaiwaibuyehuicaiqushezhilvjixingsanreqipian，huozhudongshisanrefengshan
，touguoqiangzhiqilengdeshouduanqianghuajiasuresanyidemude。

在LED元yuan件jian的de核he心xin
，也ye有you嚐chang試shi透tou過guo改gai善shan金jin線xian的de製zhi作zuo邏luo輯ji，改gai用yong覆fu晶jing或huo共gong晶jing的de模mo式shi將jiang晶jing粒li與yu外wai部bu進jin行xing連lian結jie，取qu得de供gong應ying電dian源yuan的de設she計ji方fang式shi
，而er透tou過guo此ci法fa所suo製zhi成cheng的deLED元件，內部連接晶粒的導線從點的接觸一舉變成麵的連結
，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dan共gong晶jing或huo覆fu晶jing的de製zhi程cheng手shou段duan成cheng本ben較jiao高gao
，對dui於yu基ji板ban的de精jing密mi度du要yao求qiu極ji高gao，假jia若ruo基ji板ban的de平ping整zheng度du不bu佳jia，也ye會hui影ying響xiang後hou段duan成cheng品pin的de良liang率lv表biao現xian

，其qi技ji術shu成cheng熟shu度du仍reng需xu要yao時shi間jian考kao驗yan。