分析散热和基板材料

1、LED散热问题的解决方案白光LED仍旧存在着发光均匀性不佳、封闭材料的寿命不长等问题，无法发 挥白光LED被期待的应用优点。但就需求层面来看，不仅一般的照明用途，随着 手机、LCD TV、汽车、医疗等的广泛应用，使得最合适开发稳定白光LED的技术 研究成果就广泛的被关注。改善白光LED的发光效率，目前有两大方向，一是提 高LED芯片的面积，藉此增加发光量。二是把几个小型芯片一起封装在同一个模 块下。藉由提高芯片面积来增加发光量.虽然，将LED芯片的面积予以大型化，藉此能够获得高得多的亮度，但 因过大的面积，在应用过程和结果上也会出现适得其反的现象。所以，针对这样 的问题，部分LED业者就根据电

2、极构造的改进和覆晶的构造，在芯片表面进行改 良，来达到50lm/W的发光效率。例如在白光LED覆晶封装的部分，由于发光层 很接近封装的附近，发光层的光向外部散出时，电极不会被遮蔽，但缺点就是所 产生的热不容易消散。并非进行芯片表面改善后，再加上增加芯片面积就绝对可以迅速提升亮 度，因为当光从芯片内部向外扩散射时，芯片中这些改善的部分无法进行反射， 所以在取光上会受到一点限制，根据计算，最佳发挥光效率的LED芯片尺寸是在 7mm2左右。利用封装数个小面积LED芯片快速提高发光效率和大面积LED芯片 相比，利用小功率LED芯片封装成同一个模块，这样是能够较快达到高亮度的要 求，例如，Citizen

3、就将8个小型LED封装在一起，让模块的发光效率达到了 60lm/W，堪称是业界的首例。但这样的做法也引发的一些疑虑，因为是将多颗 LED封装在同一个模块上，必须置入一些绝缘材料，以免造成LED芯片间的短路 情况发生，如此一来就会增加了不少的成本。对此Citizen的解释是：“对于成本的影响幅度是相当小的，因为相较 于整体的成本比例，这些绝缘材料仅不到百分之一，并可以利用现有的材料来做 绝缘应用，这些绝缘材料不需要重新开发，也不需要增加新的设备来因应。”虽 然Citizen的解释理论上是合理的，但是，对于无经验的业者来说，这就是一项 挑战，因为无论在良率、研发、生产工程上都是需要予以克服的。还有

4、其它方式 可达到提高发光效率的目标，许多业者发现，在LED蓝宝石基板上制作出凹凸不 平坦的结构，这样或许可以提高光输出量，所以，有逐渐朝向在芯片表面建立 Texture或Photonics结晶的架构。例如德国的OSRAM就是以这样的架构开发出 “ThinGaN”高亮度LED。原理是在InGaN层上形成金属膜，之后再剥离蓝宝石， 这样，金属膜就会产生映像的效果而获得更多的光线取出，根据OSRAM的资料显 示，这样的结构可以获得75%的光取出效率。除了芯片的光取出方面需要做努 力外，因为期望能够获得更高的光效率，在封装的部分也是必须做一些改善。事 实上，每多增加一道的工程都会对光取出效率带来一些影

5、响，不过，这并不代表 着，因为封装的制程就一定会增加更高的光损失，就像日本OMROM所开发的平面 光源技术，就能够大幅度的提升光取出效率，这样的结构是将LED所射出的光线， 利用LENS光学系统以及反射光学系统来做控制的，所以OMROM称之为“Double reflection ”。利用这样的结构，可将传统炮弹型封装等的LED所造成的光损 失，针对封装的广角度反射来获得更高的光效率，更进一步的是，在表面所形成 的Mesh上进行加工，而形成双层的反射效果，这样的方式可以得到不错的光取 出效率控制的。因为这样特殊的设计，利用反射效果达到高光取出效率的LED， 主要的用途是针对LCD TV背光所应用

6、的。封装材料和荧光材料的重要性增加， 如果期望用来作为LCD TV背光应用的话，那幺需要克服的问题就会更多了。因 为LCD TV的连续使用时间都是长达数个小时，甚至10几个小时，所以，由于这 样长时间的使用情况下，拿来作为背光的白光LED就必须拥有不会因为连续使用 而产生亮度衰减的情况。目前已发表的高功率的白光LED，它的发光功率是一个低功率白光LED亮度 的数十倍，所以期望利用高功率白光LED来代替荧光灯作为照明设备的话，有一 个必须克服的困难就是亮度递减的情况。例如，白光LED长时间连续使用1W的 情况下，会造成连续使用后半段时间的亮度逐渐降低的现象，不是只有高功率白 光LED才会出现这样

7、的情况，低功率白光LED也会存在这样的问题，只不过是 因为低功率白光应用的产品不同，所以，并不会因此特别突显出这样的困扰。使 用的电流愈大，所获得的亮度就愈高，这是一般对于LED能够达到高亮度的观念， 不过，因为所使用的电流增加，因此封装材料是否能够承受这样长时间的因为电 流所产生的热，也因为这样的连续使用，往往封装材料的热抵抗会降到10k/w 以下。高功率LED的发热量是低功率LED的数十倍，因此，会出现随着温度上升， 而出现发光功率降低的问题，所以在能够抗热性高封装材料的开发上，相对显的 非常重要。或许在2030lm/W以下的LED,这些问题都不明显，但是，一旦面临60lm/w 以上的高发

8、光功率LED的时候，就需要想办法解决的。热效应所带来的影响，绝 对不会仅仅只有LED本身，而是会对整个应用产品带来困扰，所以，LED如果能 够在这一方面获得解决的话，那幺，也可以减轻应用产品本身的散热负担。因此， 在面对不断提高电流情况的同时，如何增加抗热能力，也是现阶段的急待被克服 的问题。从各方面来看，除了材料本身的问题外，还包括从芯片到封装材料间的 抗热性、导热结构及封装材料到PCB板间的抗热性、导热结构和PCB板的散热结 构等，这些都需要作整体性的考量。例如，即使能够解决从芯片到封装材料间的 抗热性，但因从封装到PCB板的散热效果不好的话，同样也是造成LED芯片温度 的上升，出现发光效

9、率下降的现象。所以，就像是松下就为了解决这样的问题， 从2005年开始，便把包括圆形、线形、面型的白光LED,与PCB基板设计成一 体，来克服可能因为出现在从封装到PCB板间散热中断的问题。但并非所有的业 者都像松下一样，因为各业者的策略关系，有的业者以基板设计的简便为目标， 只针对PCB板的散热结构进行改良。还有相当多的业者，因为本身不生产LED, 所以只能在PCB板做一些研发，但仅此还是不够的，所以需要选择散热性良好的 白光LED。能让PCB板上用的金属材料，能与白光LED封装中的散热槽紧密连接， 达到散热的能力。这样看起来好象只是因为期望达到散热，而把简单的一件事情 予以复杂化，到底这样

10、是不是符合成本和进步的概念？以今天的应用层面来说， 很难做一个判断，不过，是有一些业者正朝向这方面作考量，例如Citizen在 2004年所发表的产品，就是能够从封装上厚度为23mm的散热槽向外散热，提 供应用业者能够因为使用了具有散热槽的高功率白光LED,能让PCB板的散热设 计得以发挥。封装材料的改变使白光LED寿命达原先的4倍。发热的问题不是只 会对亮度表现带来影响，同时也会对LED本身的寿命出现挑战，所以在这一部份， LED不断的开发出封装材料来因应持续提高中的LED亮度所产生的影响。过去用来作为封装材料的环氧树脂，耐热性比较差，可能会出现在LED芯片 本身的寿命到达前，环氧树脂就已经

11、出现变色的情况，因此，为了提高散热性， 必须让更多的电流获得释放。除此之外，不仅因为热现象会对环氧树脂产生影响， 甚至短波长也会对环氧树脂造成一些问题，这是因为环氧树脂相当容易被白光 LED中的短波长光线破坏，即使低功率的白光LED就已经会造成环氧树脂的破坏， 更何况高功率的白光LED所含的短波长的光线更多，恶化自然也加速，甚至有些 产品在连续点亮后的使用寿命不到5,000小时。所以，与其不断的克服因为旧有 封装材料-环氧树脂所带来的变色困扰，不如朝向开发新一代的封装材料的选 择。目前在解决寿命这一方面的问题，许多LED封装业者都朝向放弃环氧树脂， 而改用了硅树脂和陶瓷等作为封装的材料。根据统

12、计，因为改变了封装材料，事 实上可以提高LED的寿命。就资料上来看，代替环氧树脂的封装材料-硅树脂， 就具有较高的耐热性，根据试验，即使是在摄氏150180度的高温，也不会变 色的现象，看起来似乎是一个不错的封装材料。硅树脂能够分散蓝色和近紫外光， 与环氧树脂相比，硅树脂可以抑制材料因为电流和短波长光线所带来的劣化现 象，缓和光穿透率下降的速度。以目前的应用来看，几乎所有的高功率白光LED 产品都已经改用硅树脂作为封装的材料，例如，相对于波长400450nm的光， 环氧树脂约在个位的数百分比左右，但硅树脂对400450nm的光线吸收却不到 百分之一，这样的落差，使得在抗短波长方面，硅树脂有着较

13、出色的表现。就寿命表现度而言，硅树脂可以达到延长白光LED使用寿命的目标，甚至可 以达到4万小时以上的使用寿命。但是不是真的适合用来做照明的应用还有待研 究，因为硅树脂是具有弹性的柔软材料，所以在封装的过程中，需要特别注意应 用的方式，从而设计出最适当的应用技术。对于未来应用方面，提高白光LED的光输出效率将会是决胜的关键点。白光 LED的生产技术，从过去的蓝色LED和黄色YAG荧光体的组合，开发出仿真白光， 到利用三色混合或者使用GaN材料，开发出白光LED，对于应用来说，已经可以 看的出将会朝向更广泛的方向扩展。另外，白光LED的发光效率，已经有了不错 的发展，日本LED照明推进协会的目标

14、是，期望能够在2009年达到100lm/w的 发光效率，所以预计在数年内，100lm/w发光效率就能够实际上商业化应用。日亚化学积极开发白光半导体雷射，在期望LED达到色纯度较高的白光及高 亮度的要求下，各业者不断的从每一领域加以改善，而达到这一目标，但在进展 速度上，看起来仍旧相当的缓慢。因此部分业者开始考虑采用其它的技术，来实 现目前业界对于类似白光LED的光亮度要求。在高亮度蓝、白光LED领域的日亚 化学，便将一部份的研发方向，朝向开发白光雷射做努力。日亚化学利用与白光LED相同的GaN系材料制作半导体雷射，开发出了 白光光源，以目前的表现来说，辉度已经能够达到10cd/mm左右，现有的

15、白光 LED如果期望达到这个辉度值是相当困难的，即使增加电流期望亮度增加，但这 样将会使得接合点的温度上升，所带来的结果不仅会使整个发光效率降低外，还 会浪费相当多的电量。日亚化学所开发的白光半导体雷射，在芯片端不再使用荧光材料，而是 将发光部分和白光产生的部分分开处理，利用200mw的蓝紫色半导体雷射，发出 405nm的波长光线，把蓝色或蓝紫色半导体雷射与光纤的面进行连接，让白光从 涂了荧光材料光纤的另一面发射出来，而所产生出来的白光直径仅有1.25mm, 这个面积只有相同光量白光LED的1/20，所需的功耗不到0.1W，所以，在散热部分也不需要太多考虑。虽然看起来在特性的方面是相当的不错，

16、不过还是有一些缺点的，在使 用寿命上，只有3,000小时左右，价格太贵。虽然价格的问题花一点时间就可以 下降一些，但是以现在30万日圆的水准来看的，要降到3,000甚至300日元， 可能需要10年以上的时间。散热问题不解决有哪里些副作用？倘若不解决散热问题，而让LED的热无法排解，进而使LED的工作温 度上升，如此会有什么影响吗？关于此最主要的影响有二：（1）发光亮度减弱、 （2）使用寿命衰减。举例而言，当LED的p-n接面温度（Junction Temperature ）为25C （典型工作温度）时亮度为100,而温度升高至75C时亮度就减至80,到到125C剩 60,到175C时只剩40。

17、很明显的，接面温度与发光亮度是呈反比线性的关系， 温度愈升高，LED亮度就愈转暗。温度对亮度的影响是线性，但对寿命的影响就呈指数性，同样以接面 温度为准，若一直保持在50C以下使用则LED有近20,000小时的寿命，75C则只 剩10,000小时，100C剩5,000小时，125C剩2,000小时，150C剩1,000小时。温 度光从50C变成2倍的100C，使用寿命就从20,000小时缩成1/4倍的5,000小时， 伤害极大。裸晶层：光热一体两面的发散源头：p-n接面关于LED的散热我们同样从最核心处逐层向外讨论，一起头也是在p-n 接面部分，解决方案一样是将电能尽可能转化成光能，而少转化成

18、热能，也就是 光能提升，热能就降低，以此来降低发热。如果更进一步讨论，电光转换效率即是内部量子化效率（Internal Quantum Efficiency; IQE ）,今日一般而言都已有70%90%的水平，真正的症结 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LED为例，Tj接面温度为 25C，顺向驱动电流为350mA,如此以InGaN而言，随著波长（光色）的不同， 其效率约在5%27%之间，波长愈高效率愈低（草绿色仅5%,蓝色则可至27 %）, 而AlInGaP方面也是随波长而

19、有变化，但却是波长愈高效率愈高，效率大体从8 % 40%（淡黄色为低，橘红最高）。Cathode LgdSlllcoiieEncapsulenihgNSrnj conductorFlip ChipGM WJreSolder ConnecticnHeatsink SlugPlastic LensSil item Sub-mcuntClTipwith ESD Protection备注：从Lumileds公司Luxeon系列LED的横切面可以得知，矽封胶固 定住LED裸晶与裸晶上的萤光质（若有用上萤光质的话），然后封胶之上才有透 镜，而裸晶下方用焊接（或导热膏）与矽子镶嵌芯片（Silicon Sub

20、-mount Chip） 连接，此芯片也可强化ESD静电防护性，往下再连接散热块，部分LED也直接裸 晶底部与散热块相连。（图片来源：L）Silver reuedorWre bo rrlSifioon subwunt备注：Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶采行覆晶镶嵌法，因此其 蓝宝石基板变成在上端，同时还加入一层银质作为光反射层，进而增加光取出量， 此外也在Silicon Submount内制出两个基纳二极管（Zener Diode），使LED获 得稳压效果，使运作表现更稳定。（图片来源：L）由于增加光取出率（Extraction Efficiency，也称：汲光效率、光取 效

21、率）也就等于减少热发散率，等于是一个课题的两面，而关于光取出率的提升 请见另一篇专文：高亮度LED之封装光通原理技术探析。在此不再讨论。裸晶层：基板材料、覆晶式镶嵌如何在裸晶层面增加散热性，改变材质与几何结构再次成为必要的手 段，关于此目前最常用的两种方式是：1.换替基板（Substrate，也称：底板、 衬底，有些地方也称为：Carrier）的材料。2.经裸晶改采覆晶（Flip-Chip，也 称：倒晶）方式镶嵌（mount）。先说明基板部分，基板的材料并不是说换就能换，必须能与裸晶材料 相匹配才行，现有AlGaInP常用的基板材料为GaAs、Si，InGaN则为SiC.Sapphire （并

22、使用AlN做为缓冲层）。/ Metal Core PCB （MCPCB）s备注：为了强化LED的散热，过去的FR4印刷电路板已不敷应付，因 此提出了内具金属核心的印刷电路板，称为MCPCB，运用更底部的铝或铜等热传 导性较佳的金属来加速散热，不过也因绝缘层的特性使其热传导受到若干限制。（制图：郭长佑）对光而言，基板不是要够透明使其不会阻碍光，就是在发光层与基板之 间再加入一个反光性的材料层，以此避免光能被基板所阻碍、吸收，形成浪 费，例如GaAs基板即是不透光，因此再加入一个DBR （ Distributed Bragg Reflector ）反射层来进行反光。而Sapphire基板则是可直接

23、反光，或透明的 GaP基板可以透光。除此之外，基板材料也必须具备良好的热传导性，负责将裸晶所释放出 的热，迅速导到更下层的散热块（Heat Slug）上，不过基板与散热块间也必须 使用热传导良好的介接物，如焊料或导热膏。同时裸晶上方的环氧树脂或矽树脂 （即是指：封胶层）等也必须有一定的耐热能力，好因应从p-n接面开始，传导 到裸晶表面的温度。除了强化基板外，另一种作法是覆晶式镶嵌，将过去位于上方的裸晶电 极转至下方，电极直接与更底部的线箔连通，如此热也能更快传导至下方，此种 散热法不仅用在LED上，现今高热的CPU、GPU也早就采行此道来加速散热。从传统FR4 PCB到金属核心的MCPCB将热导到更下层后，就过去而言是直接运用铜箔印刷电路板（Printed Circuit Board； PCB）来散热，也就是最常见的FR4印刷电路基板，然而随著LED 的发热愈来愈高，FR4印刷电路基板已逐渐难以消受，理由是其热传导率不够（仅 0.36W/m.K）。为了改善电路板层面的散热，因此提出了所谓的金属核心的印刷电路 板（Metal Core PCB； MCPCB），即是将原有的印刷电路板附贴在另外一种热传导 效果更好的金属上（如：铝、铜），以此来强化散热效果，而这片金属位在印刷 电路板内，所以才称为Metal Core，MCPC