2010-10-26
发光二极管（LED）具有低耗能、省电、寿命长、耐用等优点，因而被各方看好将取代传统照明成为未来照明光源。然而，随著功率增加，LED所产生电热流之废热无法有效散出，导致发光效率严重下降。LED使用寿命的定义为，当LED发光效率低于原发光效率之70%时，可视为LED寿命终结。LED发光效率会随著使用时间及次数而降低，而过高的接面温度则会加速LED发光效率衰减。
随著芯片技术的日益成熟，单一的LED芯片输入功率可达到5W，甚至更高，所以防止LED工作温度过高也越来越显得重要。若不能有效的将芯片热量散出，接踵而来的热效应也会变得越来越明显，使得芯片接面温度升高，进而直接减少芯片射出的光子能量，降低出光效率。温度的升高也会使得芯片发射出的光谱产生红移，色温质量下降。
假设当LED的p-n接面温度（Junction Temperature）为25℃（典型工作温度）时亮度为100，则温度升高至75℃时亮度就减至80，到125℃则剩60，到175℃时只剩40。很明显地，接面温度与发光亮度是呈反比的线性关系。
除了照明质量，高温对LED寿命也有极大的影响。温度对亮度的影响是线性的，但对寿命的影响却是指数性的，同样以接面温度为准，若一直保持50℃以下使用，则LED有近20，000小时的使用寿命，75℃则只剩10，000小时的使用寿命，100℃剩5，000小时，125℃剩2，000小时，150℃剩1，000小时。温度光从50℃变成两倍的100℃，使用寿命就从20，000 小时缩短1/4倍的5，000小时，所以热会极度影响LED的使用寿命。
LED散热对于发光效率与使用寿命影响甚大，故散热装置的设计相当重要，衍生需要克服的问题也很多，甚至成为LED厂商间的决胜关键。
针对LED发热关键点的深入研究
LED 整体发热量虽然不高，但换算成单位体积发热量时，却远远超过其它光源。热量的传递路径主要分为三种型态，分别为热传导传递（conduction heat transfer）、热对流传递（convection heat transfer）、热辐射传递（radiation heat transfer）。LED对于三种热传导方式的依赖程度相差甚大。LED可从空气中散热、亦有热能直接由基板导出、或经由金线将热能导出，若为共晶及Flip chip制程，热能将经由通孔至系统电路板而导出。
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接面温度较其它光源温度低许多，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。
不同封装方式，也有很大的影响，例如有专家以SiC及Sapphire两种不同封装方式之芯片，搭配ANSYS之有限元素软件包，进行热模拟分析比较，两种不同封装方式之芯片发热量皆为1W。在该实验中SiC封装方式之芯片温度分布较均匀，且接面温度也较低，此与SiC之高热传导系数有关。利用红外线热影像仪，实际拍摄SiC及Sapphire两种不同封装方式之芯片表面温度。SiC封装方式之芯片表面最大温度温差约为2℃，而Sapphire封装方式之芯片表面最大温度温差约为43℃。就因热膨胀系数不同而产生之热应力问题而言，SiC封装方式可得较低热应力。
散热设计通常有5个控制变因，分别为LED间距、介电层厚度、电路层厚度、焊锡厚度以及环境温度。通常LED间距为五个控制因子中，影响较大之控制因子。然而，LED间距因混光及光均匀度之光学设计需求，并无法任意改变。除了利用LED封装及LED模块设计，使接面温度降低，LED寿命及可靠度上升以外，提高LED对高接面温度抵抗力也是一种方法，但于制程之后想改善LED之散热情况，仍须考虑其散热模块之设计。
此外，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，以确保元件稳定。
故高亮度高功率LED皆采用封装体之结构来保护发光部分之接面位置，针对LED接面散热之主要散热途径为热传导，此点由LED封装设计与材料着手，使其接面温度容易传递至外界。再经由LED模块设计来让外部之热量易于散去。其中，LED封装中的基座部分，大多采用金属材料，其热传导系数较高，且为热传导主要途径。
经散热良好设计与材料匹配之LED封装体，尚需搭配散热良好之LED模块设计，才可有效将热量导至外部环境，长时间使用下使接面温度降低以提高LED 之发光效率。不过散热的基础还是在于基板。 
高散热能力基板虽成本高 然预计将快速成长
LED的散热措施，能够发挥的主要部分，为LED晶粒与元件本身承载晶粒的载板，与LED元件与安装于系统主机板上的电路基板两个部位做强化，在实务上，承载LED晶粒的载板属于LED封装制程中可以介入控制的关键点，而LED元件与所安装的电路基板散热关系，则是一般LED模块厂所关注的散热改善重点。
LED常见基板通常有四类：传统且非常成熟的PCB、发展中的金属基板（MCPCB）、以陶瓷材料为主的陶瓷基板（Ceramic）、覆铜陶瓷基板（DBC）。其中覆铜陶瓷基板是将铜箔直接烧结到陶瓷表面，而形成的一种复合基板。PCB及MCPCB可使用于一般LED应用之产品。不过当单位热流密度较高时，LED散热基板主要采用金属基板及陶瓷基板两类强化散热。金属基板以铝（Al）及铜（Cu）为材料，可分为「金属基材（metal base）」、「金属蕊（metal core）」。金属基板制程尚需多一道绝缘层处理，目前全球主要散热绝缘胶厂商以美商及日商为主。
另一类是采用AlN、SiC、BeO等绝缘材料为主的陶瓷基板，由于本身材料就已经绝缘，因此不需要有绝缘层的处理。此外，陶瓷基板所能承受的崩溃电压，击穿电压（Break-down voltage）也较高，此外，其热膨胀系数匹配性佳，可减少热应力及热变形产生也是优点，可以说相当适合LED应用，目前确实已经有相当多LED产品采用，但目前价格仍贵，约为金属基板的2~3倍，因此要大规模普及，还有待降低相关成本。