详解高亮度LED之“封装热导”原理技术

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25℃，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）。

　　

　　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-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：Lumileds.com）

　　

　　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：Lumileds.com）

　　由于增加光取出率（Extraction Efficiency，也称：汲光效率、光取效率）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（并使用AlN做为缓冲层）。

　　

　　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」，MCPCB的热传导效率就高于传统FR4 PCB，达1W/m.K2.2W/m.K。
　　不过，MCPCB也有些限制，在电路系统运作时不能超过140℃，这个主要是来自介电层（Dielectric Layer，也称Insulated Layer，绝缘层）的特性限制，此外在制造过程中也不得超过250℃300℃，这在过锡炉时前必须事先了解。
　　附注：虽然铝、铜都是合适的热导热金属，不过碍于成本多半是选择铝材质。