详解高亮度LED封装散热技术

过去LED只能拿来做为状态指示灯的时代，其封装散热从来就不是问题，但近年来LED的亮度，功率皆积极提升，并开始用于背光与电子照明等应用后，LED的封装散热问题已悄然浮现。上述的讲法听来有些让人疑惑，不是一直强调LED的亮度突破吗？2003年Lumileds Lighting公司Roland Haitz先生依据过去的观察所理出的一个经验性技术推论定律，从1965年第一个商业化的LED开始算，在这30多年的发展中，LED约每18个月至 24个月可提升一倍的亮度，而在往后的10年内，预计亮度可以再提升20倍，而成本将降至现有的1/10，此也是近年来开始盛行的Haitz定律，且被认为是LED界的Moore(摩尔)定律。 　　依据Haitz定律的推论，亮度达100lm/W(每瓦发出100流明)的LED约在2008年;2010年间出现，不过实际的发展似乎已比定律更超前，2006年6月日亚化学工业(Nichia)已经开始提供可达100lm/W白光LED的工程样品，预计年底可正式投入量产。 　　Haitz定律可说是LED领域界的Moore定律，根据Roland Haitz的表示，过去30多年来LED几乎每18;24个月就能提升一倍的发光效率，也因此推估未来的10年(2003年、2013年)将会再成长20 倍的亮度，但价格将只有现在的1/10。不仅亮度不断提升，LED的散热技术也一直在提升，1992年一颗LED的热阻抗(Thermal Resistance)为360℃/W，之后降至125℃/W、75℃/W、15℃/W，而今已是到了每颗6℃/W～10℃/W的地步，更简单说，以往 LED每消耗1瓦的电能，温度就会增加360℃，现在则是相同消耗1瓦电能，温度却只上升6℃~10℃。 　　少颗数高亮度、多颗且密集排布是增热元凶 　　既然亮度效率提升、散热效率提升，那不是更加矛盾？应当更加没有散热问题不是?其实，应当更严格地说，散热问题的加剧，不在高亮度，而是在高功率；不在传统封装，而在新封装、新应用上。 　　首先，过往只用来当指示灯的LED，每单一颗的点亮(顺向导通)电流多在5mA、30mA间，典型而言则为20mA，而现在的高功率型LED(注1)，则是每单一颗就会有330mA、1A的电流送入，「每颗用电」增加了十倍、甚至数十倍(注2)。 　　注1：现有高功率型LED的作法，除了将单一发光裸晶的面积增大外，也有实行将多颗裸晶一同封装的作法。事实上有的白光LED即是在同一封装内放入红、绿、蓝3个原色的裸晶来混出白光。 　　注2：虽然各种LED的点亮(顺向导通)电压有异，但在此暂且忽略此一差异。 　　在相同的单颗封装内送入倍增的电流，发热自然也会倍增，如此散热情况当然会恶化，但很不幸的，由于要将白光LED拿来做照相手机的闪光灯、要拿来做小型照明用灯泡、要拿来做投影机内的照明灯泡，如此只是高亮度是不够的，还要用上高功率，这时散热就成了问题。上述的LED应用方式，仅是使用少数几颗高功率LED，闪光灯约1~4颗，照明灯泡约1~8颗，投影机内10多颗，不过闪光灯使用机会少，点亮时间不长，单颗的照明灯泡则有较宽裕的周遭散热空间，而投影机内虽无宽裕散热空间但却可装置散热风扇。 　　图中为InGaN与AlInGaP两种LED用的半导体材料，在各尖峰波长(光色)下的外部量子化效率图，虽然最理想下可逼近40%，但若再将光取效率列入考虑，实际上都在15%、25%间，何况两种材料在更高效率的部分都不在人眼感受性的范畴内，范畴之下的仅有20%。可是，现在还有许多应用是需要高亮度，但又需要将高亮度LED密集排列使用的，例如交通号志灯、讯息广告牌的走马灯、用LED组凑成的电视墙等，密集排列的结果便是不易散热，这是应用所造成的散热问题。更有甚者，在液晶电视的背光上，既是使用高亮度LED，也要密集排列，且为了讲究短小轻薄，使背部可用的散热设计空间更加拘限，且若高标要求来看也不应使用散热风扇，因为风扇的吵杂声会影响电视观赏的品味情绪。 　　散热问题不解决有哪些副作用？ 　　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25℃(典型工作温度)时亮度为100，而温度升高至75℃时亮度就减至80，到125℃剩60，到175℃时只剩40。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50℃以下使用则LED有近20，000小时的寿命，75℃则只剩10，000小时，100℃剩5，000小时，125℃剩2，000小时，150℃剩1，000小时。温度光从50℃变成2倍的100℃，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，随着波长(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)。 　　从Lumileds公司Luxeon系列LED的横切面可以得知，硅封胶固定住LED裸晶与裸晶上的荧光质(若有用上荧光质的话)，然后封胶之上才有透镜，而裸晶下方用焊接(或导热膏)与硅子镶嵌芯片(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。 　　Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶实行覆晶镶嵌法，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。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。 　　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)。 　　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。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硅树脂(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也早就实行此道来加速散热。 　　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，然而随着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(l 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「l Core」，MCPCB的热传导效率就高于传统FR4 PCB，达1W/m.K～2.2W/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。 　　IMS强化MCPCB在绝缘层上的热传导 　　MCPCB虽然比FR4 PCB散热效果佳，但MCPCB的介电层却没有太好的热传导率，大体与FR4 PCB相同，仅0.3W/m.K，成为散热块与金属核心板间的传导瓶颈。为了改善此一情形，有业者提出了IMS(Insulated l Substrate，绝缘金属基板)的改善法，将高分子绝缘层及铜箔电路以环氧方式直接与铝、铜板接合，然后再将LED配置在绝缘基板上，此绝缘基板的热传导率就比较高，达1.1;2W/m.K，比之前高出3;7倍的传导效率。更进一步的，若绝缘层依旧被认为是导热性不佳，也有直接让LED底部的散热块，透过在印刷电路板上的穿孔(Through Hole)作法，使其直接与核心金属接触，以此加速散热。此作法很耐人寻味，因为过去的印刷电路板不是为插件组件焊接而凿，就是为线路绕径而凿，如今却是为散热设计而凿。 　　除了MCPCB、MCPCB+IMS法之外，也有人提出用陶瓷基板(Ceramic Substrate)，或者是所谓的直接铜接合基板(Direct Copper Bonded Substrate，简称：DBC)，或是金属复合材料基板。无论是陶瓷基板或直接铜接合基板都有24～170W/m.K的高传导率，其中直接铜接合基板更允许制程温度、运作温度达800℃以上，不过这些技术都有待更进一步的成熟观察。