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
，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個月至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。
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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？

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20000小時的壽命，75℃則隻剩10000小時，100℃剩5000小時
，125℃剩2000小時，150℃剩1000小時。溫度光從50℃變成2倍的100℃，使用壽命就從20000小時縮成1/4倍的5000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(jie)麵(mian)部(bu)分(fen)
，解(jie)決(jue)方(fang)案(an)一(yi)樣(yang)是(shi)將(jiang)電(dian)能(neng)盡(jin)可(ke)能(neng)轉(zhuan)化(hua)成(cheng)光(guang)能(neng)，而(er)少(shao)轉(zhuan)化(hua)成(cheng)熱(re)能(neng)
，也(ye)就(jiu)是(shi)光(guang)能(neng)提(ti)升(sheng)，熱(re)能(neng)就(jiu)降(jiang)低(di)，以(yi)此(ci)來(lai)降(jiang)低(di)發(fa)熱(re)。如(ru)果(guo)更(geng)進(jin)一(yi)步(bu)討(tao)論(lun)，電(dian)光(guang)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)即(ji)是(shi)內(nei)部(bu)量(liang)子(zi)化(hua)效(xiao)率(lv)(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。
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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(yun)用(yong)更(geng)底(di)部(bu)的(de)鋁(lv)或(huo)銅(tong)等(deng)熱(re)傳(chuan)導(dao)性(xing)較(jiao)佳(jia)的(de)金(jin)屬(shu)來(lai)加(jia)速(su)散(san)熱(re)，不(bu)過(guo)也(ye)因(yin)絕(jue)緣(yuan)層(ceng)的(de)特(te)性(xing)使(shi)其(qi)熱(re)傳(chuan)導(dao)受(shou)到(dao)若(ruo)幹(gan)限(xian)製(zhi)。對(dui)光(guang)而(er)言(yan)，基(ji)板(ban)不(bu)是(shi)要(yao)夠(gou)透(tou)明(ming)使(shi)其(qi)不(bu)會(hui)阻(zu)礙(ai)光(guang)
，就(jiu)是(shi)在(zai)發(fa)光(guang)層(ceng)與(yu)基(ji)板(ban)之(zhi)間(jian)再(zai)加(jia)入(ru)一(yi)個(ge)反(fan)光(guang)性(xing)的(de)材(cai)料(liao)層(ceng)，以(yi)此(ci)避(bi)免(mian)「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。

chuqianghuajibanwai，lingyizhongzuofashifujingshixiangqian，jiangguoquweiyushangfangdeluojingdianjizhuanzhixiafang
，dianjizhijieyugengdibudexianboliantong，rucireyenenggengkuaichuandaozhixiafang，cisanrefabujinyongzaiLED上，現今高熱的CPU
、GPU也早就實行此道來加速散熱。
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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(lCorePCB、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「lCore」，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(InsulatedlSubstrate
，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。

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