高亮度led技术与应用趋势(4)封装热导

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1、高亮度LED技術與應用趨勢(4)高亮度LED之「封裝熱導」原理技術探析（郭長祐／DigiTimes.com）2006/07/10 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LumiledsLighting公司RolandHaitz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

2、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Rol

3、andHaitz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（ThermalResistance）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

4、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

5、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

6、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

7、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（JunctionTemperature）為25℃

8、（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