高功率LED散热限制与改良设计关键

高功率的LED需辅以更完善的散热设计延长其寿命与维持发光效果(lumex)

前言：
发光二极管(LED)由于发光原理的差异，明显异于一般灯具的发光技术，因此具备低能耗、省电、寿命长与耐用等优点，在各方强调「节能」的应用大前提下，LED用于取代传统光源的应用方式，自然而然成为业者看好的发光技术，成为极具未来发展前景的照明光源。然而，LED为点状光源，其发光过程所产生的热源全部集中在单一点，而随着功率增加、LED所产生废热无法有效散出，将导致发光效率下降，改善散热效率为发展生活照明应用的重要关键...

本文：
LED使用寿命一般定义为当LED发光效率低于70%，即可视为LED寿命达到更换的程度，一般LED的发光效率会随使用时间增长与应用次数增多而持续降低，至于过高元件与接面温度，也会加速LED发光效率衰减。

LED芯片技术日益成熟，观察单一LED的芯片输入功率，目前已可达5W或更高状态，虽说如此毕竟应用温度过高也会加速产品老化，一般的作法是透过主、被动冷却手段，防止LED工作温度持续增高，若不能有效将芯片接面与本体的热散出，元件本身所产生热效应会变得越来越显着，即先前提到的加速元件衰竭、减少寿命的使用问题，当接面温度升高也会影响芯片产生亮度，温度升高也会使发射光谱产生红移、色温品质下降。

LED的p-n接面温度 影响发光效果甚巨

当LED发光二极管的p-n接面，温度(Junction Temperature)达25℃的典型工作温度时，此时LED的亮度定义为100，若温度升高至75℃状态，亮度会持续递减至80，若持续加温至元件至125℃，发光亮度可能仅达到60以下！接面温度与发光亮度呈反比线性关系相当明确。

接面温度除影响照明品质，元件的高温也会对使用寿命产生极大影响，一般而言，温度与亮度的相关性为线性递减，但相对于「寿命」，其影响却是呈现指数递减状态，影响的层面更为显着。

同样采接面温度为分析比较的基础，若元件持续40~50℃则LED可达到20,000小时运作寿命，若元件温度为60~75℃测试结果会仅剩10,000小时使用寿命，再将元件的环境与接面温度提升至100℃以上，元件寿命会仅剩5,000小时！元件与环境温度会大幅影响LED使用寿命的结果相当显着。

针对LED发热单点进行高效散热

即便LED本身在中、低功率应用，整体的发热问题不大，但若自元件的尺寸去算算发热量，会发现LED工作中所产生的热量，相较众传统光源的发热问题，并不遑多让。一般而言，元件的热传递路径主要可分为三种型态，分别为 热辐射传递(radiation heat transfer)、热传导传递(conduction heat transfer)、热对流传递(convection heat transfer)，LED在三种热传导方式作用方式差异相当大，可从空气中散逸或直接由基板导出、或经由金线传导热能。

LED各部位热流量所占比例，其中以铝基板(MCPCB)和电极引脚(Lead)所占热流比例最大，由于LED接面温度较其他光源温度低许多，故热能无法以辐射模式与光一同射出去，所以LED有大约90%之多余热以热传导方式向外扩散，在高电流强度作用下，LED芯片接面温度升高，需要有良好的LED 封装及模块设计，来提供LED适当热传导途径，以降低接面温度。

不过，虽然知道LED高度依赖传导散热，但LED的封装等特性也让传导成了散热的大瓶颈，如何克服是许多专家研究的重要目标，如根据「Thermal Analysis of Filp-Chip Packaged 280nm Nitride-Based Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes」模拟分析之结果显示，散热的瓶颈确实在于LED接面面积，LED接面面积过小，相对其接面热通量变相当大，则以热传导为主的LED封装体较不易迅速地将热导出。

使用高散热性基板 散热效果好但成本高

LED的散热处理设计，多数会自LED晶粒与元件本身的载板下手，进行相关散热设计改善，或与LED元件和安装于主机板上的PCB部位进行强化，但在实务设计中，承载LED晶粒载板属于LED封装制程可加强技术改善的重点，但LED元件与PCB电路基板的散热设计，一般为模块厂商的散热改善设计关键。

LED常见基板相当多，传统的方式为采相对成熟的PCB设计，或采发展中的金属基板(MCPCB)，而较新的设计也有采陶瓷材料为主设计的陶瓷基板(Ceramic)，甚至运用单价较高的覆铜陶瓷基板(DBC)。

覆铜陶瓷基板DBC的原理是将铜箔材质，直接透过制程将之烧结至陶瓷表面处，让基材形成的一种复合型态的基板形式。至于PCB及金属基板MCPCB，为可使用于一般LED元件应用的产品。

当整合的LED元件可能会因为高功率或高发光效率要求，造成设计无法避免温度增加时，LED散热基板材料就必须选用金属基板或陶瓷基板这两类具备强化散热效益的基材。至于金属基板多以铜(Cu)、铝(Al)为材料，可分金属基材(metal base)、金属蕊(metal core)，至于金属基板制程还必须多一到工序，即将金属基材应用绝缘层处理，这也是成本居高不下的主因。

也有常见采AlN、SiC、BeO绝缘材料材质设计的陶瓷基板，由于材料本身就具备绝缘特性，因而不需绝缘层额外工序处理，另陶瓷基板还具备多项导入优点，其可承受的电压、击穿电压(Break-down voltage)较高、热膨胀系数的匹配性极佳，所制成的元件具备低热应力、热变形的优点，目前已有许多高单价的LED产品导入设计，要看到大量应用还需持续压低制作成本。

不同封装方式设计影响大

LED的不同封装方式，对于终端产品的散热设计也有极大影响，若以SiC、Sapphire不同封装芯片进行热分析，如果采不同封装的芯片发热量一致，SiC封装方式芯片温度会呈现较均匀的分布状态、接面温度也相对较低，此与SiC具较高热传导系数有关。

此外，LED元件本身的散热设计，还有多个可控制的变因，例如，LED介电层厚度、电路层厚度、焊锡厚度与环境温度...等，有时碍于光均匀度的产品要求，LED必须采更密集的排布方式制作，可控制的关键设计就必须妥善考量，尽可能使接面温度因设计改善而降低，进一步提升LED寿命与可靠度。

LED 除了考虑芯片温度之外，仍需考虑以热阻大小(热量传递至每个传输介质，在介质两侧所产生之温差，除以发热瓦数，即可求出热阻值，热阻的定义就类似电阻一样)来判断散热效率的好坏，在LED散热设计时，需降低LED整体封装热阻值确保元件能稳定运作。