中心議題：

• LED背光照明
• LED的散熱問題
• LED的熱管理
• LED的散熱封裝

當led於60年代被使用後

，過去因LED使用功率不高，隻能拿來作為顯示燈及訊號燈，封裝散熱問題並未產生

，但近年來使用於背光照明的LED，其亮度、功率皆持續的被提升，因此散熱逐漸成為LED照明產業的首要問題。

依據過去30年LED發展觀察
，Lumileds Lighting公司的Roland Haitz先生於2003年歸納出LED界的Moore(摩爾)定律—Haitz定律(如圖1所示)，說明LED約每18~24個月可提升一倍的亮度，以此定理推估10年內LED亮度可以再提升20倍，而成本將可降90%以達到可完全取代現有照明技術
，因此LED照明於近幾年火熱的被重視與探討。

圖1 Haitz定律

LED 背光照明

LED因耗電低、不含汞、壽命長
、體積小、降低二氧化碳排放量等優勢吸引國內

、外廠商極力推廣取代現有照明。 LED主要照明可分為顯示背光、車用照明

、交通號誌與室內室外照明
，而背光模組於2009年被廣泛的應用於筆記型電腦麵板上
，此後亦逐漸被使用到家用電視機，其約占了50%之麵板模組零組件製造成本與消耗約70%顯示器之電能，故背光照明為顯示麵板最重要的關鍵。 然液晶顯示器無法自行發光
，因此需要背光模組作為光線的來源
，所以背光源的好壞會影響顯示的效果甚劇。 加上麵板需薄型化的因素，因此多以CCFL燈管作為背光源，而LED背光源比起CCFL有演色性佳

、壽命長、反應速度快等優勢(如表1)。

再加上近年來由於全球提倡環保議題，各國政府的禁汞環保政策
，如歐盟的WEEE與RoHS指令與中國的電子信息產品生產汙染防治管理辦法等陸續推行

，也驅使小體積封裝之LED成為替代CCFL的最佳無汞燈源。 又由於LED單位成本發光效率持續快速成長中，使得LED成本跌幅擴大

，縮小了CCFL與LED的價差，也促使麵板廠商開始大幅導入LED於背光模組。
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LED的散熱問題

目前提高LED亮度有兩種方式，分別為增加晶片亮度以及多顆密集排列等方式，這些方法都需輸入更高功率之能量，而輸入LED的能量，大約20%會轉換成光源，剩下80 %都轉成熱能，然在單顆封裝內送入倍增的電流，發熱自然也會倍增
，因此在如此小的散熱麵積下

，散熱問題會逐漸惡化。 此封裝如僅應用在隻使用1~4顆LED的散光燈
，散光燈點亮時間短暫，故熱累積現象不明顯
；如應用在液晶電視的背光上，既使使用高亮度LED，也要密集排列並長時間點亮
，因此在有限的散熱空間內難以適時的將這些熱排除於外。

但很不幸的，產生的熱，對晶粒是很嚴重的問題。 當晶粒介麵溫度升高時

，量子轉換效率導致發光強度下降，且壽命也會跟著下降；放射波長改變
，使得色彩穩定性降低；受熱時因不同材質的膨脹係數不同，會有熱應力累積使產品可靠性降低，使用年限也會降低。 因此，散熱是高功率LED極需解決的重要問題。

基本熱力學

傳統光源白熾燈有73%以紅外線輻射方式進行散熱
，在周圍可以感受到高溫高熱，所以燈泡本體熱累積現象輕微，而LED產生的光，大多分布在以可見光或紫外光居多

，不能以輻射方式幫助散熱，又因LED封裝麵積較小，難以將熱量散出，導致LED照明品質有很大的問題產生
，由此得知LED熱能問題是目前急待被解決。

在討論LED熱管理的議題前，首先要先了解基本熱力學。 基本上散熱有3種方式(表2)，分別為“傳導式散熱”、“對流式散熱”以及“輻射式散熱”
，從以上三者的理論公式可以分析出，散熱最主要問題點就在“麵積”
；另外
，由於因輻射在接近室溫情況下散熱量非常小
，所以最主要討論的散熱方式在傳導和對流兩方麵。

在了解散熱之前還要知道熱歐姆定理，傳統的電流歐姆定理：V=IR
，壓降=電流×電阻，電阻愈大，壓降就愈大，表示電壓在元件中消耗量愈大
；同樣的
，熱歐姆定理：ΔT=QR

，溫差=熱流×熱阻
，當熱阻愈大時，就有愈多的熱殘留在元件內
，這說明了散熱效果要越好，熱阻就要越低。 熱歐姆定理是以熱阻(Thermal resistance)將熱傳以物理量量化，計算方式為LED介麵溫度與室溫的溫差除以單位輸入功率。 簡單來說
，如熱阻為10℃/W，表示每輸入1W的能量會是LED上升10℃。

LED的熱管理

熱傳是以等向性的方式傳遞
，傳遞方向可大致區分成垂直與水平方向。 垂直方向相當於將熱阻串聯，串聯數愈多，熱阻愈大。 水平傳遞等於是並聯熱阻，並聯熱阻數愈多熱阻越低，表示增大傳導麵積和加強傳熱速率。 因此要有較佳的散熱效果，所傳導的層數要越少且截麵積要越大。
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圖2為LEDyuanjianchuizhirezutu，reyuanyoujiemianchanshengzaichuizhixiangshangxiachuandi，yinbaohucengfengzhuangcaiyongdirechuanxishucailiao，jiashangmianjiyouxiao，suoyijinyoujishaoliangrenengxiangshangchuandierbeihulvejisuan，suoyichuandizongrezu=介麵到黏接點熱阻＋黏接點到基板熱阻＋基板到載板熱阻＋載板到空氣熱阻
，熱會由介麵迅速傳遞到大麵積之載板或散熱片
，再經由水平傳遞到大麵積的表麵上與空氣熱交換對流完成散熱。

基於上述理論，將LEDyuanjianrezukuodayunyongzhibeiguangsanremozuzhong，yindamianjimianbanboxinghuadexuqiu，zaijixiaokongjianzhongshiyonggaoreyuanmiduyuanjian
，suoyichuleziranduiliuwai，haixufuyifengshanfangshijinxingqiangzhiduiliuzengjiasanre。

LED所suo產chan生sheng的de熱re
，大da多duo經jing由you基ji板ban傳chuan遞di到dao載zai板ban散san熱re片pian上shang，再zai以yi水shui平ping方fang式shi迅xun速su傳chuan遞di至zhi整zheng個ge載zai板ban之zhi上shang，此ci熱re最zui後hou垂chui直zhi傳chuan導dao到dao大da麵mian積ji的de筐kuang體ti上shang，促cu成cheng筐kuang體ti表biao麵mian的de熱re對dui流liu和he放fang射she
，利li用yong通tong風feng孔kong的de熱re空kong氣qi上shang升sheng流liu動dong或huo風feng散san強qiang製zhi對dui流liu造zao成cheng熱re移yi動dong將jiang熱re量liang帶dai走zou。 另外，由等效熱阻圖(圖3)可觀察出，散熱基板為整個背光散熱模組的傳遞核心，此說明將散熱基板熱阻降低，對整體的散熱效益提升就越明顯。

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LED散熱封裝

降低LED熱(re)累(lei)積(ji)的(de)方(fang)式(shi)有(you)主(zhu)要(yao)有(you)以(yi)下(xia)三(san)種(zhong)，一(yi)為(wei)改(gai)善(shan)晶(jing)粒(li)特(te)性(xing)，在(zai)晶(jing)粒(li)製(zhi)作(zuo)階(jie)段(duan)，增(zeng)加(jia)發(fa)光(guang)效(xiao)率(lv)降(jiang)低(di)發(fa)熱(re)的(de)能(neng)量(liang)配(pei)置(zhi)，此(ci)外(wai)傳(chuan)統(tong)式(shi)晶(jing)片(pian)皆(jie)以(yi)藍(lan)寶(bao)石(shi)(sapphire)作為基板，其藍寶石的熱傳導係數約隻有20W/mK，不易將磊晶層所產生的熱快速地排出至外部
，因此Cree公司以具高熱傳導係數的“矽”來取代藍寶石，進而提升散熱能力。

另外，改用越大尺寸的晶粒LED熱阻值就越小。 二為固晶(Die Bonding)方式，由打線(Wire Bonding)改為覆晶(Flip-Chip)，傳統LED封裝使用打線方式，但相對於金屬
，藍寶石傳熱相當慢，所以熱源會從金屬線傳導，但散熱效果不佳。 Lumileds公司將晶粒改以覆晶方式倒置於散熱基板上，欲排除藍寶石不要在熱傳導路徑上
，並在幾何結構上增加傳熱麵積以降低熱阻。 三為封裝基板采用氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹及氮化硼等高導熱以及與LED熱膨脹係數匹配的材料，進而降低整個散熱基板總熱阻方式。

以下將LED散熱封裝材料之比較列於表3，早期LED以(yi)炮(pao)彈(dan)型(xing)方(fang)式(shi)進(jin)行(xing)封(feng)裝(zhuang)，其(qi)散(san)熱(re)路(lu)徑(jing)中(zhong)有(you)一(yi)小(xiao)部(bu)分(fen)熱(re)源(yuan)經(jing)保(bao)護(hu)層(ceng)往(wang)大(da)氣(qi)方(fang)向(xiang)散(san)熱(re)，大(da)多(duo)熱(re)源(yuan)僅(jin)能(neng)透(tou)過(guo)金(jin)屬(shu)架(jia)往(wang)基(ji)板(ban)散(san)熱(re)

，此(ci)封(feng)裝(zhuang)熱(re)阻(zu)相(xiang)當(dang)地(di)大(da)
，達(da)250~350℃/W。 進而由表麵貼合方式(SMD)於PCB基板上封裝，主要是藉由與基板貼合一起的FR4載板來導熱，利用增加散熱麵積的方式來大幅降低其熱阻值。 但此低成本的封裝要麵臨的問題是，FR4本身熱傳導係數較低
，膨脹係數過高，且為不耐高溫的材料，在高功率的LED封裝材料上不太適用。

因此，再發展出內具金屬核心的印刷電路板(MetalCorePCB
；MCPCB)，是將原印刷電路板貼附在金屬板上，運用貼附的鋁或銅等熱傳導性較佳的金屬來加速散熱，此封裝技術可用於中階功率的LED封裝。 MCPCB的鋁基板雖有良好的導熱係數
，但還需使用絕緣層來分離線路，但絕緣材多有熱阻
、熱膨脹係數過高的缺點
，作為封裝高功率LED時較不適合。 近期還有DBC(Direct Bond Copper)與DPC(Direct Plated Copper)技術被使用


，DBC熱壓銅於陶瓷板技術雖有良好的散熱係數，但密合強度、熱應力與線路解析度等問題仍有待解決。

在陶瓷材料上以DPC成型之基板

，具有耐高電壓、耐高溫、與LED熱膨脹係數匹配等優勢外，還可將熱阻下降到10℃/W以下，故此為現今最合適用在封裝高密度排列之HB LED散熱材料。