散熱的具體介紹 - 大功率LED封裝散熱設計的方法介紹

　　裸晶層：光熱一體兩面的發(fā)散源頭：p-n接面

　　關于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化成光能，而少轉化成熱能，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，電光轉換效率即是內部量子化效率（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25℃，順向驅動電流為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）。

　　從Lumileds公司Luxeon系列LED的橫切面可以得知，硅封膠固定住LED裸晶與裸晶上的熒光質（若有用上熒光質的話），然后封膠之上才有透鏡，而裸晶下方用焊接（或導熱膏）與硅子鑲嵌芯片（Silicon Sub-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。

　　Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶實行覆晶鑲嵌法，因此其藍寶石基板變成在上端，同時還加入一層銀質作為光反射層，進而增加光取出量，此外也在Silicon Submount內制出兩個基納二極管（Zener Diode），使LED獲得穩(wěn)壓效果，使運作表現更穩(wěn)定。由于增加光取出率（Extraction Efficiency，也稱：汲光效率、光取效率）也就等于減少熱發(fā)散率，等于是一個課題的兩面。

　　裸晶層：基板材料、覆晶式鑲嵌

　　如何在裸晶層面增加散熱性，改變材質與幾何結構再次成為必要的手段，關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，現有AlGaInP常用的基板材料為GaAs、Si，InGaN則為SiC、Sapphire（并使用AlN做為緩沖層）。

　　為了強化LED的散熱，過去的FR4印刷電路板已不敷應付，因此提出了內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受到若干限制。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性，負責將裸晶所釋放出的熱，迅速導到更下層的散熱塊（Heat Slug）上，不過基板與散熱塊間也必須使用熱傳導良好的介接物，如焊料或導熱膏。同時裸晶上方的環(huán)氧樹脂或硅樹脂（即是指：封膠層）等也必須有一定的耐熱能力，好因應從p-n接面開始，傳導到裸晶表面的溫度。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至下方，此種散熱法不僅用在LED上，現今高熱的CPU、GPU也早就實行此道來加速散熱。

　　從傳統FR4 PCB到金屬核心的MCPCB

　　將熱導到更下層后，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，FR4印刷電路基板已逐漸難以消受，理由是其熱傳導率不夠（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（l Core PCB；MCPCB），即是將原有的印刷電路板附貼在另外一種熱傳導效果更好的金屬上（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，所以才稱為「l Core」，MCPCB的熱傳導效率就高于傳統FR4 PCB，達1W/m.K～2.2W/m.K。

　　不過，MCPCB也有些限制，在電路系統運作時不能超過140℃，這個主要是來自介電層（Dielectric Layer，也稱Insulated Layer，絕緣層）的特性限制，此外在制造過程中也不得超過250℃；300℃，這在過錫爐時前必須事先了解。

　　附注：雖然鋁、銅都是合適的熱導熱金屬，不過礙于成本多半是選擇鋁材質。

　　IMS強化MCPCB在絕緣層上的熱傳導

　　MCPCB雖然比FR4 PCB散熱效果佳，但MCPCB的介電層卻沒有太好的熱傳導率，大體與FR4 PCB相同，僅0.3W/m.K，成為散熱塊與金屬核心板間的傳導瓶頸。為了改善此一情形，有業(yè)者提出了IMS（Insulated l Substrate，絕緣金屬基板）的改善法，將高分子絕緣層及銅箔電路以環(huán)氧方式直接與鋁、銅板接合，然后再將LED配置在絕緣基板上，此絕緣基板的熱傳導率就比較高，達1.1;2W/m.K，比之前高出3;7倍的傳導效率。更進一步的，若絕緣層依舊被認為是導熱性不佳，也有直接讓LED底部的散熱塊，透過在印刷電路板上的穿孔（Through Hole）作法，使其直接與核心金屬接觸，以此加速散熱。此作法很耐人尋味，因為過去的印刷電路板不是為插件組件焊接而鑿，就是為線路繞徑而鑿，如今卻是為散熱設計而鑿。

　　除了MCPCB、MCPCB＋IMS法之外，也有人提出用陶瓷基板（Ceramic Substrate），或者是所謂的直接銅接合基板（Direct Copper Bonded Substrate，簡稱：DBC），或是金屬復合材料基板。無論是陶瓷基板或直接銅接合基板都有24～170W/m.K的高傳導率，其中直接銅接合基板更允許制程溫度、運作溫度達800℃以上，不過這些技術都有待更進一步的成熟觀察。