分析散熱和基板材料

1、LED散熱問題的解決方案白光LED仍舊存在著發(fā)光均勻性不佳、封閉材料的壽命不長等問題，無法發(fā) 揮白光LED被期待的應(yīng)用優(yōu)點。但就需求層面來看，不僅一般的照明用途，隨著 手機、LCD TV、汽車、醫(yī)療等的廣泛應(yīng)用，使得最合適開發(fā)穩(wěn)定白光LED的技術(shù) 研究成果就廣泛的被關(guān)注。改善白光LED的發(fā)光效率，目前有兩大方向，一是提 高LED芯片的面積，藉此增加發(fā)光量。二是把幾個小型芯片一起封裝在同一個模 塊下。藉由提高芯片面積來增加發(fā)光量.雖然，將LED芯片的面積予以大型化，藉此能夠獲得高得多的亮度，但 因過大的面積，在應(yīng)用過程和結(jié)果上也會出現(xiàn)適得其反的現(xiàn)象。所以，針對這樣 的問題，部分LED業(yè)者就根據(jù)電

2、極構(gòu)造的改進和覆晶的構(gòu)造，在芯片表面進行改 良，來達到50lm/W的發(fā)光效率。例如在白光LED覆晶封裝的部分，由于發(fā)光層 很接近封裝的附近，發(fā)光層的光向外部散出時，電極不會被遮蔽，但缺點就是所 產(chǎn)生的熱不容易消散。并非進行芯片表面改善后，再加上增加芯片面積就絕對可以迅速提升亮 度，因為當光從芯片內(nèi)部向外擴散射時，芯片中這些改善的部分無法進行反射， 所以在取光上會受到一點限制，根據(jù)計算，最佳發(fā)揮光效率的LED芯片尺寸是在 7mm2左右。利用封裝數(shù)個小面積LED芯片快速提高發(fā)光效率和大面積LED芯片 相比，利用小功率LED芯片封裝成同一個模塊，這樣是能夠較快達到高亮度的要 求，例如，Citizen

3、就將8個小型LED封裝在一起，讓模塊的發(fā)光效率達到了 60lm/W，堪稱是業(yè)界的首例。但這樣的做法也引發(fā)的一些疑慮，因為是將多顆 LED封裝在同一個模塊上，必須置入一些絕緣材料，以免造成LED芯片間的短路 情況發(fā)生，如此一來就會增加了不少的成本。對此Citizen的解釋是：“對于成本的影響幅度是相當小的，因為相較 于整體的成本比例，這些絕緣材料僅不到百分之一，并可以利用現(xiàn)有的材料來做 絕緣應(yīng)用，這些絕緣材料不需要重新開發(fā)，也不需要增加新的設(shè)備來因應(yīng)?！彪m 然Citizen的解釋理論上是合理的，但是，對于無經(jīng)驗的業(yè)者來說，這就是一項 挑戰(zhàn)，因為無論在良率、研發(fā)、生產(chǎn)工程上都是需要予以克服的。還有

4、其它方式 可達到提高發(fā)光效率的目標，許多業(yè)者發(fā)現(xiàn)，在LED藍寶石基板上制作出凹凸不 平坦的結(jié)構(gòu)，這樣或許可以提高光輸出量，所以，有逐漸朝向在芯片表面建立 Texture或Photonics結(jié)晶的架構(gòu)。例如德國的OSRAM就是以這樣的架構(gòu)開發(fā)出 “ThinGaN”高亮度LED。原理是在InGaN層上形成金屬膜，之后再剝離藍寶石， 這樣，金屬膜就會產(chǎn)生映像的效果而獲得更多的光線取出，根據(jù)OSRAM的資料顯 示，這樣的結(jié)構(gòu)可以獲得75%的光取出效率。除了芯片的光取出方面需要做努 力外，因為期望能夠獲得更高的光效率，在封裝的部分也是必須做一些改善。事 實上，每多增加一道的工程都會對光取出效率帶來一些影

5、響，不過，這并不代表 著，因為封裝的制程就一定會增加更高的光損失，就像日本OMROM所開發(fā)的平面 光源技術(shù)，就能夠大幅度的提升光取出效率，這樣的結(jié)構(gòu)是將LED所射出的光線， 利用LENS光學系統(tǒng)以及反射光學系統(tǒng)來做控制的，所以O(shè)MROM稱之為“Double reflection ”。利用這樣的結(jié)構(gòu)，可將傳統(tǒng)炮彈型封裝等的LED所造成的光損 失，針對封裝的廣角度反射來獲得更高的光效率，更進一步的是，在表面所形成 的Mesh上進行加工，而形成雙層的反射效果，這樣的方式可以得到不錯的光取 出效率控制的。因為這樣特殊的設(shè)計，利用反射效果達到高光取出效率的LED， 主要的用途是針對LCD TV背光所應(yīng)用

6、的。封裝材料和熒光材料的重要性增加， 如果期望用來作為LCD TV背光應(yīng)用的話，那幺需要克服的問題就會更多了。因 為LCD TV的連續(xù)使用時間都是長達數(shù)個小時，甚至10幾個小時，所以，由于這 樣長時間的使用情況下，拿來作為背光的白光LED就必須擁有不會因為連續(xù)使用 而產(chǎn)生亮度衰減的情況。目前已發(fā)表的高功率的白光LED，它的發(fā)光功率是一個低功率白光LED亮度 的數(shù)十倍，所以期望利用高功率白光LED來代替熒光燈作為照明設(shè)備的話，有一 個必須克服的困難就是亮度遞減的情況。例如，白光LED長時間連續(xù)使用1W的 情況下，會造成連續(xù)使用后半段時間的亮度逐漸降低的現(xiàn)象，不是只有高功率白 光LED才會出現(xiàn)這樣

7、的情況，低功率白光LED也會存在這樣的問題，只不過是 因為低功率白光應(yīng)用的產(chǎn)品不同，所以，并不會因此特別突顯出這樣的困擾。使 用的電流愈大，所獲得的亮度就愈高，這是一般對于LED能夠達到高亮度的觀念， 不過，因為所使用的電流增加，因此封裝材料是否能夠承受這樣長時間的因為電 流所產(chǎn)生的熱，也因為這樣的連續(xù)使用，往往封裝材料的熱抵抗會降到10k/w 以下。高功率LED的發(fā)熱量是低功率LED的數(shù)十倍，因此，會出現(xiàn)隨著溫度上升， 而出現(xiàn)發(fā)光功率降低的問題，所以在能夠抗熱性高封裝材料的開發(fā)上，相對顯的 非常重要?；蛟S在2030lm/W以下的LED,這些問題都不明顯，但是，一旦面臨60lm/w 以上的高發(fā)

8、光功率LED的時候，就需要想辦法解決的。熱效應(yīng)所帶來的影響，絕 對不會僅僅只有LED本身，而是會對整個應(yīng)用產(chǎn)品帶來困擾，所以，LED如果能 夠在這一方面獲得解決的話，那幺，也可以減輕應(yīng)用產(chǎn)品本身的散熱負擔。因此， 在面對不斷提高電流情況的同時，如何增加抗熱能力，也是現(xiàn)階段的急待被克服 的問題。從各方面來看，除了材料本身的問題外，還包括從芯片到封裝材料間的 抗熱性、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)及封裝材料到PCB板間的抗熱性、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)和PCB板的散熱結(jié) 構(gòu)等，這些都需要作整體性的考量。例如，即使能夠解決從芯片到封裝材料間的 抗熱性，但因從封裝到PCB板的散熱效果不好的話，同樣也是造成LED芯片溫度 的上升，出現(xiàn)發(fā)光效

9、率下降的現(xiàn)象。所以，就像是松下就為了解決這樣的問題， 從2005年開始，便把包括圓形、線形、面型的白光LED,與PCB基板設(shè)計成一 體，來克服可能因為出現(xiàn)在從封裝到PCB板間散熱中斷的問題。但并非所有的業(yè) 者都像松下一樣，因為各業(yè)者的策略關(guān)系，有的業(yè)者以基板設(shè)計的簡便為目標， 只針對PCB板的散熱結(jié)構(gòu)進行改良。還有相當多的業(yè)者，因為本身不生產(chǎn)LED, 所以只能在PCB板做一些研發(fā)，但僅此還是不夠的，所以需要選擇散熱性良好的 白光LED。能讓PCB板上用的金屬材料，能與白光LED封裝中的散熱槽緊密連接， 達到散熱的能力。這樣看起來好象只是因為期望達到散熱，而把簡單的一件事情 予以復(fù)雜化，到底這樣

10、是不是符合成本和進步的概念？以今天的應(yīng)用層面來說， 很難做一個判斷，不過，是有一些業(yè)者正朝向這方面作考量，例如Citizen在 2004年所發(fā)表的產(chǎn)品，就是能夠從封裝上厚度為23mm的散熱槽向外散熱，提 供應(yīng)用業(yè)者能夠因為使用了具有散熱槽的高功率白光LED,能讓PCB板的散熱設(shè) 計得以發(fā)揮。封裝材料的改變使白光LED壽命達原先的4倍。發(fā)熱的問題不是只 會對亮度表現(xiàn)帶來影響，同時也會對LED本身的壽命出現(xiàn)挑戰(zhàn)，所以在這一部份， LED不斷的開發(fā)出封裝材料來因應(yīng)持續(xù)提高中的LED亮度所產(chǎn)生的影響。過去用來作為封裝材料的環(huán)氧樹脂，耐熱性比較差，可能會出現(xiàn)在LED芯片 本身的壽命到達前，環(huán)氧樹脂就已經(jīng)

11、出現(xiàn)變色的情況，因此，為了提高散熱性， 必須讓更多的電流獲得釋放。除此之外，不僅因為熱現(xiàn)象會對環(huán)氧樹脂產(chǎn)生影響， 甚至短波長也會對環(huán)氧樹脂造成一些問題，這是因為環(huán)氧樹脂相當容易被白光 LED中的短波長光線破壞，即使低功率的白光LED就已經(jīng)會造成環(huán)氧樹脂的破壞， 更何況高功率的白光LED所含的短波長的光線更多，惡化自然也加速，甚至有些 產(chǎn)品在連續(xù)點亮后的使用壽命不到5,000小時。所以，與其不斷的克服因為舊有 封裝材料-環(huán)氧樹脂所帶來的變色困擾，不如朝向開發(fā)新一代的封裝材料的選 擇。目前在解決壽命這一方面的問題，許多LED封裝業(yè)者都朝向放棄環(huán)氧樹脂， 而改用了硅樹脂和陶瓷等作為封裝的材料。根據(jù)統(tǒng)

12、計，因為改變了封裝材料，事 實上可以提高LED的壽命。就資料上來看，代替環(huán)氧樹脂的封裝材料-硅樹脂， 就具有較高的耐熱性，根據(jù)試驗，即使是在攝氏150180度的高溫，也不會變 色的現(xiàn)象，看起來似乎是一個不錯的封裝材料。硅樹脂能夠分散藍色和近紫外光， 與環(huán)氧樹脂相比，硅樹脂可以抑制材料因為電流和短波長光線所帶來的劣化現(xiàn) 象，緩和光穿透率下降的速度。以目前的應(yīng)用來看，幾乎所有的高功率白光LED 產(chǎn)品都已經(jīng)改用硅樹脂作為封裝的材料，例如，相對于波長400450nm的光， 環(huán)氧樹脂約在個位的數(shù)百分比左右，但硅樹脂對400450nm的光線吸收卻不到 百分之一，這樣的落差，使得在抗短波長方面，硅樹脂有著較

13、出色的表現(xiàn)。就壽命表現(xiàn)度而言，硅樹脂可以達到延長白光LED使用壽命的目標，甚至可 以達到4萬小時以上的使用壽命。但是不是真的適合用來做照明的應(yīng)用還有待研 究，因為硅樹脂是具有彈性的柔軟材料，所以在封裝的過程中，需要特別注意應(yīng) 用的方式，從而設(shè)計出最適當?shù)膽?yīng)用技術(shù)。對于未來應(yīng)用方面，提高白光LED的光輸出效率將會是決勝的關(guān)鍵點。白光 LED的生產(chǎn)技術(shù)，從過去的藍色LED和黃色YAG熒光體的組合，開發(fā)出仿真白光， 到利用三色混合或者使用GaN材料，開發(fā)出白光LED，對于應(yīng)用來說，已經(jīng)可以 看的出將會朝向更廣泛的方向擴展。另外，白光LED的發(fā)光效率，已經(jīng)有了不錯 的發(fā)展，日本LED照明推進協(xié)會的目標

14、是，期望能夠在2009年達到100lm/w的 發(fā)光效率，所以預(yù)計在數(shù)年內(nèi)，100lm/w發(fā)光效率就能夠?qū)嶋H上商業(yè)化應(yīng)用。日亞化學積極開發(fā)白光半導(dǎo)體雷射，在期望LED達到色純度較高的白光及高 亮度的要求下，各業(yè)者不斷的從每一領(lǐng)域加以改善，而達到這一目標，但在進展 速度上，看起來仍舊相當?shù)木徛?。因此部分業(yè)者開始考慮采用其它的技術(shù)，來實 現(xiàn)目前業(yè)界對于類似白光LED的光亮度要求。在高亮度藍、白光LED領(lǐng)域的日亞 化學，便將一部份的研發(fā)方向，朝向開發(fā)白光雷射做努力。日亞化學利用與白光LED相同的GaN系材料制作半導(dǎo)體雷射，開發(fā)出了 白光光源，以目前的表現(xiàn)來說，輝度已經(jīng)能夠達到10cd/mm左右，現(xiàn)有的

15、白光 LED如果期望達到這個輝度值是相當困難的，即使增加電流期望亮度增加，但這 樣將會使得接合點的溫度上升，所帶來的結(jié)果不僅會使整個發(fā)光效率降低外，還 會浪費相當多的電量。日亞化學所開發(fā)的白光半導(dǎo)體雷射，在芯片端不再使用熒光材料，而是 將發(fā)光部分和白光產(chǎn)生的部分分開處理，利用200mw的藍紫色半導(dǎo)體雷射，發(fā)出 405nm的波長光線，把藍色或藍紫色半導(dǎo)體雷射與光纖的面進行連接，讓白光從 涂了熒光材料光纖的另一面發(fā)射出來，而所產(chǎn)生出來的白光直徑僅有1.25mm, 這個面積只有相同光量白光LED的1/20，所需的功耗不到0.1W，所以，在散熱部分也不需要太多考慮。雖然看起來在特性的方面是相當?shù)牟诲e，

16、不過還是有一些缺點的，在使 用壽命上，只有3,000小時左右，價格太貴。雖然價格的問題花一點時間就可以 下降一些，但是以現(xiàn)在30萬日圓的水準來看的，要降到3,000甚至300日元， 可能需要10年以上的時間。散熱問題不解決有哪里些副作用？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(guān)于此最主要的影響有二：（1）發(fā)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25C （典型工作溫度）時亮度為100,而溫度升高至75C時亮度就減至80,到到125C剩 60,到175C時只剩40。

17、很明顯的，接面溫度與發(fā)光亮度是呈反比線性的關(guān)系， 溫度愈升高，LED亮度就愈轉(zhuǎn)暗。溫度對亮度的影響是線性，但對壽命的影響就呈指數(shù)性，同樣以接面 溫度為準，若一直保持在50C以下使用則LED有近20,000小時的壽命，75C則只 剩10,000小時，100C剩5,000小時，125C剩2,000小時，150C剩1,000小時。溫 度光從50C變成2倍的100C，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(fā)散源頭：p-n接面關(guān)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(zhuǎn)化成光能，而少轉(zhuǎn)化成

18、熱能，也就是 光能提升，熱能就降低，以此來降低發(fā)熱。如果更進一步討論，電光轉(zhuǎn)換效率即是內(nèi)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(jié) 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 25C，順向驅(qū)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

19、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）。Cathode LgdSlllcoiieEncapsulenihgNSrnj conductorFlip ChipGM WJreSolder ConnecticnHeatsink SlugPlastic LensSil item Sub-mcuntClTipwith ESD Protection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(zhì)（若有用上螢光質(zhì)的話），然后封膠之上才有透 鏡，而裸晶下方用焊接（或?qū)岣啵┡c矽子鑲嵌芯片（Silicon Sub

20、-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：L）Silver reuedorWre bo rrlSifioon subwunt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(zhì)作為光反射層，進而增加光取出量， 此外也在Silicon Submount內(nèi)制出兩個基納二極管（Zener Diode），使LED獲 得穩(wěn)壓效果，使運作表現(xiàn)更穩(wěn)定。（圖片來源：L）由于增加光取出率（Extraction Efficiency，也稱：汲光效率、光取 效

21、率）也就等于減少熱發(fā)散率，等于是一個課題的兩面，而關(guān)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(shù)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(zhì)與幾何結(jié)構(gòu)再次成為必要的手 段，關(guān)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(jīng)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(xiàn)有AlGaInP常用的基板材料為GaAs、Si，InGaN則為SiC.Sapphire （并

22、使用AlN做為緩沖層）。/ Metal Core PCB （MCPCB）s備注：為了強化LED的散熱，過去的FR4印刷電路板已不敷應(yīng)付，因 此提出了內(nèi)具金屬核心的印刷電路板，稱為MCPCB，運用更底部的鋁或銅等熱傳 導(dǎo)性較佳的金屬來加速散熱，不過也因絕緣層的特性使其熱傳導(dǎo)受到若干限制。（制圖：郭長佑）對光而言，基板不是要夠透明使其不會阻礙光，就是在發(fā)光層與基板之 間再加入一個反光性的材料層，以此避免光能被基板所阻礙、吸收，形成浪 費，例如GaAs基板即是不透光，因此再加入一個DBR （ Distributed Bragg Reflector ）反射層來進行反光。而Sapphire基板則是可直接

23、反光，或透明的 GaP基板可以透光。除此之外，基板材料也必須具備良好的熱傳導(dǎo)性，負責將裸晶所釋放出 的熱，迅速導(dǎo)到更下層的散熱塊（Heat Slug）上，不過基板與散熱塊間也必須 使用熱傳導(dǎo)良好的介接物，如焊料或?qū)岣?。同時裸晶上方的環(huán)氧樹脂或矽樹脂 （即是指：封膠層）等也必須有一定的耐熱能力，好因應(yīng)從p-n接面開始，傳導(dǎo) 到裸晶表面的溫度。除了強化基板外，另一種作法是覆晶式鑲嵌，將過去位于上方的裸晶電 極轉(zhuǎn)至下方，電極直接與更底部的線箔連通，如此熱也能更快傳導(dǎo)至下方，此種 散熱法不僅用在LED上，現(xiàn)今高熱的CPU、GPU也早就采行此道來加速散熱。從傳統(tǒng)FR4 PCB到金屬核心的MCPCB將熱導(dǎo)到更下層后，就過去而言是直接運用銅箔印刷電路板（Printed Circuit Board； PCB）來散熱，也就是最常見的FR4印刷電路基板，然而隨著LED 的發(fā)熱愈來愈高，F(xiàn)R4印刷電路基板已逐漸難以消受，理由是其熱傳導(dǎo)率不夠（僅 0.36W/m.K）。為了改善電路板層面的散熱，因此提出了所謂的金屬核心的印刷電路 板（Metal Core PCB； MCPCB），即是將原有的印刷電路板附貼在另外一種熱傳導(dǎo) 效果更好的金屬上（如：鋁、銅），以此來強化散熱效果，而這片金屬位在印刷 電路板內(nèi)，所以才稱為Metal Core，MCPC