為什么要散熱問題 - “封裝熱導”原理技術探析

　　散熱問題不解決有哪里些副作用？

　　好！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，如此會有什么影響嗎？關于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，接面溫度與發光亮度是呈反比線性的關系，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，同樣以接面溫度為準，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：光熱一體兩面的發散源頭：p-n接面

　　關于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化成光能，而少轉化成熱能，也就是光能提升，熱能就降低，以此來降低發熱。

　　如果更進一步討論，電光轉換效率即是內部量子化效率（Internal Quantum Efficiency；IQE），今日一般而言都已有70％90％的水平，真正的癥結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為例，Tj接面溫度為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）。

　　備注：從Lumileds公司Luxeon系列LED的橫切面可以得知，矽封膠固定住LED裸晶與裸晶上的螢光質（若有用上螢光質的話），然后封膠之上才有透鏡，而裸晶下方用焊接（或導熱膏）與矽子鑲嵌芯片（Silicon Sub-mount Chip）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。（圖片來源：Lumileds.com）

　　備注：Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶采行覆晶鑲嵌法，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Silicon Submount內制出兩個基納二極管（Zener Diode），使LED獲得穩壓效果，使運作表現更穩定。（圖片來源：Lumileds.com）

　　由于增加光取出率（Extraction Efficiency，也稱：汲光效率、光取效率）也就等于減少熱發散率，等于是一個課題的兩面，而關于光取出率的提升請見另一篇專文：高亮度LED之「封裝光通」原理技術探析。在此不再討論。

　　裸晶層：基板材料、覆晶式鑲嵌

　　如何在裸晶層面增加散熱性，改變材質與幾何結構再次成為必要的手段，關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做為緩沖層）。