高亮度LED技術與應用趨勢

高亮度LED技術與應用趨勢 高亮度LED之「封裝熱導」原理技術探析

前言：過去LED只能拿來做為狀態指示燈的時代，其封裝散熱從來就不是問題，但近年 來LED的亮度、功率皆積極提升，並開始用於背光與電子照明等應用後，LED的封裝散熱問題已悄然浮現。 上述的講法聽來有些讓人疑惑，今日不是一直強調LED的亮度突破嗎？2003年Lumileds Lighting公司Roland Haitz先生依據過去的觀察所理出的一個經驗性技術推論定律，從1965年第一個商業化的LED開始算，在這30多年的發展中，LED約每18個月~24個月可提升一倍的亮度，而在往後的10年內，預計亮度可以再提升20倍，而成本將降至現有的1/10，此也是近年來開始盛行的Haitz定律，且被認為是LED界的Moore（摩爾）定律。 　依據Haitz定律的推論，亮度達100lm/W（每瓦發出100流明）的LED約在2008年~2010年間出現，不過實際的發展似乎已比定律更超前，2006年6月日亞化學工業（Nichia）已經開始提供可達100lm/W白光LED的工程樣品，預計年底可正式投入量產。 ▲Haitz定律可說是LED領域界的Moore定律，根據Roland Haitz的表示，過去30多年來LED幾乎每18~24個月就能提升一倍的發光效率，也因此推估未來的10年（2003年~2013年）將會再成長20倍的亮度，但價格將只有現在的1/10。（圖片來源：Lumileds.com） 　不僅亮度不斷提升，LED的散熱技術也一直在提升，1992年一顆LED的熱阻抗（Thermal Resistance）為360℃/W，之後降至125℃/W、75℃/W、15℃/W，而今已是到了每顆6℃/W~10℃/W的地步，更簡單說，以往LED每消耗1瓦的電能，溫度就會增加360℃，現在則是相同消耗1瓦電能，溫度卻只上升6℃~10℃。 ■少顆數高亮度、多顆且密集排佈是增熱元兇 　既然亮度效率提升、散熱效率提升，那不是更加矛盾？應當更加沒有散熱問題不是？其實，應當更嚴格地說，散熱問題的加劇，不在高亮度，而是在高功率；不在傳統封裝，而在新封裝、新應用上。 首先，過往只用來當指示燈的LED，每單一顆的點亮（順向導通）電流多在5mA~30mA間，典型而言則為20mA，而現在的高功率型LED（註1），則是每單一顆就會有330mA~1A的電流送入，「每顆用電」增加了十倍、甚至數十倍（註2）。 註1：現有高功率型LED的作法，除了將單一發光裸晶的面積增大外，也有採行將多顆裸晶一同封裝的作法。事實上有的白光LED即是在同一封裝內放入紅、綠、藍3個原色的裸晶來混出白光。 註2：雖然各種LED的點亮（順向導通）電壓有異，但在此暫且忽略此一差異。 在相同的單顆封裝內送入倍增的電流，發熱自然也會倍增，如此散熱情況當然會惡化，但很不幸的，由於要將白光LED拿來做照相手機的閃光燈、要拿來做小型照明用燈泡、要拿來做投影機內的照明燈泡，如此只是高亮度是不夠的，還要用上高功率，這時散熱就成了問題。 上述的LED應用方式，僅是使用少數幾顆高功率LED，閃光燈約1~4顆，照明燈泡約1~8顆，投影機內10多顆，不過閃光燈使用機會少，點亮時間不長，單顆的照明燈泡則有較寬裕的周遭散熱空間，而投影機內雖無寬裕散熱空間但卻可裝置散熱風扇。 ▲圖中為InGaN與AlInGaP兩種LED用的半導體材料，在各尖峰波長（光色）下的外部量子化效率圖，雖然最理想下可逼近40％，但若再將光取效率列入考慮，實際上都在15％~25％間，何況兩種材料在更高效率的部分都不在人眼感受性的範疇內，範疇之下的僅有20％。（圖片來源：Lumileds.com） 可是，現在還有許多應用是需要高亮度，但又需要將高亮度LED密集排列使用的，例如交通號誌燈、訊息看板的走馬燈、用LED組湊成的電視牆等，密集排列的結果便是不易散熱，這是應用所造成的散熱問題。 更有甚者，在液晶電視的背光上，既是使用高亮度LED，也要密集排列，且為了講究短小輕薄，使背部可用的散熱設計空間更加拘限，且若高標要求來看也不應使用散熱風扇，因為風扇的吵雜聲會影響電視觀賞的品味情緒。 ■散熱問題不解決有哪些副作用？ 好！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，如此會有什麼影響嗎？關於此最主要的影響有二：(1)發光亮度減弱、(2)使用壽命衰減。 舉例而言，當LED的p-n接面溫度（Junction Temperature）為25℃（典型工作溫度）時亮度為100，而溫度升高至75℃時亮度就減至80，到125℃剩60，到175℃時只剩40。很明顯的，接面溫度與發光亮度是呈反比線性的關係，溫度愈升高，LED亮度就愈轉暗。 溫度對亮度的影響是線性，但對壽命的影響就呈指數性，同樣以接面溫度為準，若一直保持在50℃以下使用則LED有近20,000小時的壽命，75℃則只剩10,000小時，100℃剩5,000小時，125℃剩2,000小時，150℃剩1,000小時。溫度光從50℃變成2倍的100℃，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：光熱一體兩面的發散源頭：p-n接面 關於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％的水準，真正的癥結在於外部量子化效率（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，矽封膠固定住LED裸晶與裸晶上的螢光質（若有用上螢光質的話），然後封膠之上才有透鏡，而裸晶下方用焊接（或導熱膏）與矽子鑲嵌晶片（Silicon Sub-mount Chip）連接，此晶片也可強化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：Lumileds.com） ▲Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶採行覆晶鑲嵌法，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內製出兩個基納二極體（Zener Diode），使LED獲得穩壓效果，使運作表現更穩定。（圖片來源：Lumileds.com） 由於增加光取出率（Extraction Efficiency，也稱：汲光效率、光取效率）也就等於減少熱發散率，等於是一個課題的兩面，而關於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，改變材質與幾何結構再次成為必要的手段，關於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.經裸晶改採覆晶（Flip-Chip，也稱：倒晶）方式鑲嵌（mount）。 先說明基板部分，基板的材料並不是說換就能換，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（並使用AlN做為緩衝層）。 ▲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。（製圖：郭長祐） 　對光而言，基板不是要夠透明使其不會阻礙光，就是在發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，將過去位於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也早就採行此道來加速散熱。 ■從傳統FR4 PCB到金屬核心的MCPCB 將熱導到更下層後，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（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「Metal Core」，MCPCB的熱傳導效率就高於傳統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，此外在製造過程中也不得超過250℃~300℃，這在過錫爐時前必須事先瞭解。 附註：雖然鋁、銅都是合適的熱導熱金屬，不過礙於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，有業者提出了IMS（Insulated Metal 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氧方式直接與鋁、銅板接合，然後再將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元件焊接而鑿，就是為線路繞徑而鑿，如今卻是為散熱設計而鑿。 ■結尾 　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），或是金屬複合材料基板。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製程溫度、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。 ▲Philips公司的彩色動態式LED照明模組，四組燈泡內各有一個1W的高亮度、高功率LED，且分別是紅、綠、藍、琥珀等四種顏色，主要用於購物場所的氣氛照明、牆壁色調的改變、建築物的戶外特效照 明等。