過去led只能拿來做為狀態(tài)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，并開始用于背光與電子照明等應(yīng)用后，led的封裝散熱問題已悄然浮現(xiàn)。

2003年，lumileds lighting公司roland haitz先生依據(jù)過去的觀察所理出的一個經(jīng)驗(yàn)性技術(shù)推論定律，從1965年第一個商業(yè)化的led開始算，在這30多年的發(fā)展中，led約每18～24月可提升一倍的亮度，而在往后的10年內(nèi)，預(yù)計亮度可以再提升20倍，而成本將降至現(xiàn)有的1/10，此也是近年來開始盛行的haitz定律，且被認(rèn)為是led界的moore（摩爾）定律。

依據(jù)haitz定律的推論，亮度達(dá)100lm/w（每瓦發(fā)出100流明）的led約在2008年～2010年間出現(xiàn)，不過實(shí)際的發(fā)展似乎已比定律更超前，2006年6月日亞化學(xué)工業(yè)（nichia）已經(jīng)開始提供可達(dá)100lm/w白光led的工程樣品，預(yù)計年底可正式投入量產(chǎn)。

Haitz定律可說是led領(lǐng)域界的moore定律，根據(jù)roland haitz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(fā)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，但價格將只有現(xiàn)在的1/10。

不僅亮度不斷提升，led的散熱技術(shù)也一直在提升，1992年一顆led的熱阻抗（thermal resistance）為360℃/w，之后降至125℃/w、75℃/w、15℃/w，而今已是到了每顆6～10℃/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(xiàn)在則是相同消耗1瓦電能，溫度卻只上升6～10℃。

少顆數(shù)高亮度、多顆且密集排布是增熱元兇

既然亮度效率提升、散熱效率提升，那不是更加矛盾？應(yīng)當(dāng)更加沒有散熱問題不是？其實(shí)，應(yīng)當(dāng)更嚴(yán)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(tǒng)封裝，而在新封裝、新應(yīng)用上。

首先，過往只用來當(dāng)指示燈的led，每單一顆的點(diǎn)亮（順向?qū)ǎ╇娏鞫嘣?ma～30ma間，典型而言則為20ma，而現(xiàn)在的高功率型led，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(shù)十倍。

在相同的單顆封裝內(nèi)送入倍增的電流，發(fā)熱自然也會倍增，如此散熱情況當(dāng)然會惡化，但很不幸的，由于要將白光led拿來做照相手機(jī)的閃光燈、要拿來做小型照明用燈泡、要拿來做投影機(jī)內(nèi)的照明燈泡，如此只是高亮度是不夠的，還要用上高功率，這時散熱就成了問題。

上述的led應(yīng)用方式，僅是使用少數(shù)幾顆高功率led，閃光燈約1～4顆，照明燈泡約1～8顆，投影機(jī)內(nèi)10多顆，不過閃光燈使用機(jī)會少，點(diǎn)亮?xí)r間不長，單顆的照明燈泡則有較寬裕的周遭散熱空間，而投影機(jī)內(nèi)雖無寬裕散熱空間但卻可裝置散熱風(fēng)扇。

可是，現(xiàn)在還有許多應(yīng)用是需要高亮度，但又需要將高亮度led密集排列使用的，例如交通號志燈、訊息看板的走馬燈、用led組湊成的電視墻等，密集排列的結(jié)果便是不易散熱，這是應(yīng)用所造成的散熱問題。

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(jìn)而使led的工作溫度上升，如此會有什么影響嗎？關(guān)于此最主要的影響有二：
(1) 發(fā)光亮度減弱；
(2) 使用壽命衰減。

舉例而言，當(dāng)led的p-n接面溫度（junction temperature）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℃時只剩40。很明顯的，接面溫度與發(fā)光亮度是呈反比線性的關(guān)系，溫度愈升高，led亮度就愈轉(zhuǎn)暗。

溫度對亮度的影響是線性，但對壽命的影響就呈指數(shù)性，同樣以接面溫度為準(zhǔn)，若一直保持在50℃以下使用則led有近20,000小時的壽命，75℃則只剩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。

裸晶層：光熱一體兩面的發(fā)散源頭

關(guān)于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接面部分，解決方案一樣是將電能盡可能轉(zhuǎn)化成光能，而少轉(zhuǎn)化成熱能，也就是光能提升，熱能就降低，以此來降低發(fā)熱。

如果更進(jìn)一步討論，電光轉(zhuǎn)換效率即是內(nèi)部量子化效率（internal quantum efficiency；iqe），今日一般而言都已有70～90%的水準(zhǔn)，真正的癥結(jié)在于外部量子化效率（external quantum efficiency；eqe）的低落。

以lumileds lighting公司的luxeon系列l(wèi)ed為例，tj接面溫度為25℃，順向驅(qū)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(lán)色則可至27%），而alingap方面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系列l(wèi)ed的橫切面可以得知，硅封膠固定住led裸晶與裸晶上的熒光質(zhì)（若有用上熒光質(zhì)的話），然后封膠之上才有透鏡，而裸晶下方用焊接（或?qū)岣啵┡c硅子鑲嵌芯片（silicon sub-mount chip）連接，此芯片也可強(qiáng)化esd靜電防護(hù)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系列l(wèi)ed的裸晶采行覆晶鑲嵌法，因此其藍(lán)寶石基板變成在上端，同時還加入一層銀質(zhì)作為光反射層，進(jìn)而增加光取出量，此外也在silicon submount內(nèi)制出兩個基納二極管（zener diode），使led獲得穩(wěn)壓效果，使運(yùn)作表現(xiàn)更穩(wěn)定。

由于增加光取出率（extraction efficiency，也稱：汲光效率、光取效率）也就等于減少熱發(fā)散率，等于是一個課題的兩面。

在裸晶層增加散熱：基板材料、覆晶式鑲嵌

如何在裸晶層面增加散熱性，改變材質(zhì)與幾何結(jié)構(gòu)再次成為必要的手段，關(guān)于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(jīng)裸晶改采覆晶（flip-chip，也稱：倒晶）方式鑲嵌（mount）。

先說明基板部分，基板的材料并不是說換就能換，必須能與裸晶材料相匹配才行，現(xiàn)有algainp常用的基板材料為gaas、si，ingan則為sic、sapphire（并使用aln做為緩沖為了強(qiáng)化led的散熱，過去的fr4印刷電路板已不敷應(yīng)付，因此提出了內(nèi)具金屬核心的印刷電路板，稱為mcpcb，運(yùn)用更底部的鋁或銅等熱傳導(dǎo)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(dǎo)受到若干限制。

對光而言，基板不是要夠透明使其不會阻礙光，就是在發(fā)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(fèi)，例如gaas基板即是不透光，因此再加入一個dbr（distributed bragg reflector）反射層來進(jìn)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(dǎo)性，負(fù)責(zé)將裸晶所釋放出的熱，迅速導(dǎo)到更下層的散熱塊（heat slug）上，不過基板與散熱塊間也必須使用熱傳導(dǎo)良好的介接物，如焊料或?qū)岣唷Ｍ瑫r裸晶上方的環(huán)氧樹脂或硅樹脂（即是指：封膠層）等也必須有一定的耐熱能力，好因應(yīng)從p-n接面開始，傳導(dǎo)到裸晶表面的溫度。

除了強(qiáng)化基板外，另一種作法是覆晶式鑲嵌，將過去位于上方的裸晶電極轉(zhuǎn)至下方，電極直接與更底部的線箔連通，如此熱也能更快傳導(dǎo)至下方，此種散熱法不僅用在led上，現(xiàn)今高熱的cpu、gpu也早就采行此道來加速散熱。

從傳統(tǒng)fr4 pcb到金屬核心的mcpcb

將熱導(dǎo)到更下層后，就過去而言是直接運(yùn)用銅箔印刷電路板（printed circuit board；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(fā)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(dǎo)率不夠（僅0.36w/m.k）。

為了改善電路板層面的散熱，因此提出了所謂的金屬核心的印刷電路板（metal core pcb；mcpcb），即是將原有的印刷電路板附貼在另外一種熱傳導(dǎo)效果更好的金屬上（如：鋁、銅），以此來強(qiáng)化散熱效果，而這片金屬位在印刷電路板內(nèi)，所以才稱為metal core，mcpcb的熱傳導(dǎo)效率就高于傳統(tǒng)fr4 pcb，達(dá)1w/m.k～2.2w/m.k。

不過，mcpcb也有些限制，在電路系統(tǒng)運(yùn)作時不能超過140℃ ，這個主要是來自介電層（dielectric layer，也稱insulated layer，絕緣層）的特性限制，此外在制造過程中也不得超過250～300℃ ，這在過錫爐時前必須事先了解。

為了改善此一情形，有業(yè)者提出了ims（insulated metal substrate，絕緣金屬基板）的改善法，將高分子絕緣層及銅箔電路以環(huán)氧方式直接與鋁、銅板接合，然后再將led配置在絕緣基板上，此絕緣基板的熱傳導(dǎo)率就比較高，達(dá)1.1～2w/m.k，比之前高出3～7倍的傳導(dǎo)效率。

更進(jìn)一步的，若絕緣層依舊被認(rèn)為是導(dǎo)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（through hole）作法，使其直接與核心金屬接觸，以此加速散熱。此作法很耐人尋味，因?yàn)檫^去的印刷電路板不是為插件組件焊接而鑿，就是為線路繞徑而鑿，如今卻是為散熱設(shè)計而鑿。

結(jié)論

除了mcpcb、mcpcb＋ims法之外，也有人提出用陶瓷基板（ceramic substrate），或者是所謂的直接銅接合基板（direct copper bonded substrate，簡稱dbc），或是金屬復(fù)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(dǎo)率，其中直接銅接合基板更允許制程溫度、運(yùn)作溫度達(dá)800℃ 以上，不過這些技術(shù)都有待更進(jìn)一步的成熟觀察。