中心議題：

• LED背光照明
• LED的散熱問題
• LED的熱管理
• LED的散熱封裝

當led于60年代被使用后，過去因LED使用功率不高，只能拿來作為顯示燈及訊號燈，封裝散熱問題并未產生，但近年來使用于背光照明的LED，其亮度、功率皆持續(xù)的被提升，因此散熱逐漸成為LED照明產業(yè)的首要問題。

依據(jù)過去30年LED發(fā)展觀察，Lumileds Lighting公司的Roland Haitz先生于2003年歸納出LED界的Moore(摩爾)定律—Haitz定律(如圖1所示)，說明LED約每18~24個月可提升一倍的亮度，以此定理推估10年內LED亮度可以再提升20倍，而成本將可降90%以達到可完全取代現(xiàn)有照明技術，因此LED照明于近幾年火熱的被重視與探討。

圖1 Haitz定律

LED 背光照明

LED因耗電低、不含汞、壽命長、體積小、降低二氧化碳排放量等優(yōu)勢吸引國內、外廠商極力推廣取代現(xiàn)有照明。 LED主要照明可分為顯示背光、車用照明、交通號志與室內室外照明，而背光模組于2009年被廣泛的應用于筆記型電腦面板上，此后亦逐漸被使用到家用電視機，其約占了50%之面板模組零組件制造成本與消耗約70%顯示器之電能，故背光照明為顯示面板最重要的關鍵。 然液晶顯示器無法自行發(fā)光，因此需要背光模組作為光線的來源，所以背光源的好壞會影響顯示的效果甚劇。 加上面板需薄型化的因素，因此多以CCFL燈管作為背光源，而LED背光源比起CCFL有演色性佳、壽命長、反應速度快等優(yōu)勢(如表1)。

再加上近年來由于全球提倡環(huán)保議題，各國政府的禁汞環(huán)保政策，如歐盟的WEEE與RoHS指令與中國的電子信息產品生產污染防治管理辦法等陸續(xù)推行，也驅使小體積封裝之LED成為替代CCFL的最佳無汞燈源。 又由于LED單位成本發(fā)光效率持續(xù)快速成長中，使得LED成本跌幅擴大，縮小了CCFL與LED的價差，也促使面板廠商開始大幅導入LED于背光模組。
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LED的散熱問題

目前提高LED亮度有兩種方式，分別為增加晶片亮度以及多顆密集排列等方式，這些方法都需輸入更高功率之能量，而輸入LED的能量，大約20%會轉換成光源，剩下80 %都轉成熱能，然在單顆封裝內送入倍增的電流，發(fā)熱自然也會倍增，因此在如此小的散熱面積下，散熱問題會逐漸惡化。 此封裝如僅應用在只使用1~4顆LED的散光燈，散光燈點亮時間短暫，故熱累積現(xiàn)象不明顯；如應用在液晶電視的背光上，既使使用高亮度LED，也要密集排列并長時間點亮，因此在有限的散熱空間內難以適時的將這些熱排除于外。

但很不幸的，產生的熱，對晶粒是很嚴重的問題。 當晶粒介面溫度升高時，量子轉換效率導致發(fā)光強度下降，且壽命也會跟著下降；放射波長改變，使得色彩穩(wěn)定性降低；受熱時因不同材質的膨脹系數(shù)不同，會有熱應力累積使產品可靠性降低，使用年限也會降低。 因此，散熱是高功率LED極需解決的重要問題。

基本熱力學

傳統(tǒng)光源白熾燈有73%以紅外線輻射方式進行散熱，在周圍可以感受到高溫高熱，所以燈泡本體熱累積現(xiàn)象輕微，而LED產生的光，大多分布在以可見光或紫外光居多，不能以輻射方式幫助散熱，又因LED封裝面積較小，難以將熱量散出，導致LED照明品質有很大的問題產生，由此得知LED熱能問題是目前急待被解決。

在討論LED熱管理的議題前，首先要先了解基本熱力學。 基本上散熱有3種方式(表2)，分別為“傳導式散熱”、“對流式散熱”以及“輻射式散熱”，從以上三者的理論公式可以分析出，散熱最主要問題點就在“面積”；另外，由于因輻射在接近室溫情況下散熱量非常小，所以最主要討論的散熱方式在傳導和對流兩方面。

在了解散熱之前還要知道熱歐姆定理，傳統(tǒng)的電流歐姆定理：V=IR，壓降=電流×電阻，電阻愈大，壓降就愈大，表示電壓在元件中消耗量愈大；同樣的，熱歐姆定理：ΔT=QR，溫差=熱流×熱阻，當熱阻愈大時，就有愈多的熱殘留在元件內，這說明了散熱效果要越好，熱阻就要越低。 熱歐姆定理是以熱阻(Thermal resistance)將熱傳以物理量量化，計算方式為LED介面溫度與室溫的溫差除以單位輸入功率。 簡單來說，如熱阻為10℃/W，表示每輸入1W的能量會是LED上升10℃。

LED的熱管理

熱傳是以等向性的方式傳遞，傳遞方向可大致區(qū)分成垂直與水平方向。 垂直方向相當于將熱阻串聯(lián)，串聯(lián)數(shù)愈多，熱阻愈大。 水平傳遞等于是并聯(lián)熱阻，并聯(lián)熱阻數(shù)愈多熱阻越低，表示增大傳導面積和加強傳熱速率。 因此要有較佳的散熱效果，所傳導的層數(shù)要越少且截面積要越大。
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圖2為LED元件垂直熱阻圖，熱源由介面產生再垂直向上下傳遞，因保護層封裝采用低熱傳系數(shù)材料，加上面積又小，所以僅有極少量熱能向上傳遞而被忽略計算，所以傳遞總熱阻=介面到黏接點熱阻＋黏接點到基板熱阻＋基板到載板熱阻＋載板到空氣熱阻，熱會由介面迅速傳遞到大面積之載板或散熱片，再經(jīng)由水平傳遞到大面積的表面上與空氣熱交換對流完成散熱。

基于上述理論，將LED元件熱阻擴大運用至背光散熱模組中，因大面積面板薄型化的需求，在極小空間中使用高熱源密度元件，所以除了自然對流外，還需輔以風扇方式進行強制對流增加散熱。

LED所產生的熱，大多經(jīng)由基板傳遞到載板散熱片上，再以水平方式迅速傳遞至整個載板之上，此熱最后垂直傳導到大面積的筐體上，促成筐體表面的熱對流和放射，利用通風孔的熱空氣上升流動或風散強制對流造成熱移動將熱量帶走。 另外，由等效熱阻圖(圖3)可觀察出，散熱基板為整個背光散熱模組的傳遞核心，此說明將散熱基板熱阻降低，對整體的散熱效益提升就越明顯。

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LED散熱封裝

降低LED熱累積的方式有主要有以下三種，一為改善晶粒特性，在晶粒制作階段，增加發(fā)光效率降低發(fā)熱的能量配置，此外傳統(tǒng)式晶片皆以藍寶石(sapphire)作為基板，其藍寶石的熱傳導系數(shù)約只有20W/mK，不易將磊晶層所產生的熱快速地排出至外部，因此Cree公司以具高熱傳導系數(shù)的“矽”來取代藍寶石，進而提升散熱能力。

另外，改用越大尺寸的晶粒LED熱阻值就越小。 二為固晶(Die Bonding)方式，由打線(Wire Bonding)改為覆晶(Flip-Chip)，傳統(tǒng)LED封裝使用打線方式，但相對于金屬，藍寶石傳熱相當慢，所以熱源會從金屬線傳導，但散熱效果不佳。 Lumileds公司將晶粒改以覆晶方式倒置于散熱基板上，欲排除藍寶石不要在熱傳導路徑上，并在幾何結構上增加傳熱面積以降低熱阻。 三為封裝基板采用氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹及氮化硼等高導熱以及與LED熱膨脹系數(shù)匹配的材料，進而降低整個散熱基板總熱阻方式。

以下將LED散熱封裝材料之比較列于表3，早期LED以炮彈型方式進行封裝，其散熱路徑中有一小部分熱源經(jīng)保護層往大氣方向散熱，大多熱源僅能透過金屬架往基板散熱，此封裝熱阻相當?shù)卮?，達250~350℃/W。 進而由表面貼合方式(SMD)于PCB基板上封裝，主要是藉由與基板貼合一起的FR4載板來導熱，利用增加散熱面積的方式來大幅降低其熱阻值。 但此低成本的封裝要面臨的問題是，F(xiàn)R4本身熱傳導系數(shù)較低，膨脹系數(shù)過高，且為不耐高溫的材料，在高功率的LED封裝材料上不太適用。

因此，再發(fā)展出內具金屬核心的印刷電路板(MetalCorePCB；MCPCB)，是將原印刷電路板貼附在金屬板上，運用貼附的鋁或銅等熱傳導性較佳的金屬來加速散熱，此封裝技術可用于中階功率的LED封裝。 MCPCB的鋁基板雖有良好的導熱系數(shù)，但還需使用絕緣層來分離線路，但絕緣材多有熱阻、熱膨脹系數(shù)過高的缺點，作為封裝高功率LED時較不適合。 近期還有DBC(Direct Bond Copper)與DPC(Direct Plated Copper)技術被使用，DBC熱壓銅于陶瓷板技術雖有良好的散熱系數(shù)，但密合強度、熱應力與線路解析度等問題仍有待解決。

在陶瓷材料上以DPC成型之基板，具有耐高電壓、耐高溫、與LED熱膨脹系數(shù)匹配等優(yōu)勢外，還可將熱阻下降到10℃/W以下，故此為現(xiàn)今最合適用在封裝高密度排列之HB LED散熱材料。