为什么要散热问题 - “封装热导”原理技术探析

　　散热问题不解决有哪里些副作用？

　　好！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，随著波长（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）。

　　备注：从Lumileds公司Luxeon系列LED的横切面可以得知，矽封胶固定住LED裸晶与裸晶上的萤光质（若有用上萤光质的话），然后封胶之上才有透镜，而裸晶下方用焊接（或导热膏）与矽子镶嵌芯片（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。（图片来源：Lumileds.com）

　　备注：Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶采行覆晶镶嵌法，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。（图片来源：Lumileds.com）

　　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，而关于光取出率的提升请见另一篇专文：高亮度LED之「封装光通」原理技术探析。在此不再讨论。

　　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）。