LED模组设计的热阻抗现况

繁华的城市离不开LED灯的装饰，相信大家都见过LED，它的身影已经出现在了我们的生活的各个地方，也照亮着我们的生活。除了关键元件LED易受温度影响外，光源设计多半也採取模组化概念开发，甚至为了取代传统光源，让发光元件与电子电路只能在极小空间内进行整合。

因为 LED为DC直流驱动元件，多数灯具的连接电源为AC交流电源为主，为简化LED光源的施作复杂度，目前的主流做法是直接将电源整流、变压模组与LED发光元件进行整合，但问题来了，因为可用的电路空间相对小很多，在装置内的对流空间相对变小的情况下，自然也无法得到较佳的散热效果，也只能透过主动式强制散热的相关对策，进行模组的散热处理。

若由热阻抗模组观察所製作的热流模型，进行LED晶粒预测接合点的温度，接合点意指半导体的p- n接合处，定义热阻抗R为温度差异与对应之功率消散比值，而热阻抗的形成因素相当多，但透过热流模型的检视方式，可以更清楚确认，热的散逸处理方面，是因为哪些关键问题而降低其效率，可以从元件、组装方式、基板材质、结构去进行散热改善工程。一般LED固态光源的热流模型，可以从几个关键处来检视。

例如，LED发光元件可以拆解为LED晶粒、晶粒与接脚的打线、封装的塑料，再将观察扩及LED光源模组，即会有LED元件、接合的金属接脚、 MetalCorePCB(MCPCB)电路板、最后为散热的铝挤型散热片等构成，而热流模型可以观察有几个串联的热流阻抗，例如结合点、乘载晶粒的金属片、电路板与环境等，再检视串联阻抗的热迴路，试图去发现散热效率低下的问题癥结点。

再从模型去深入观察，可以发现，从晶粒的接合点到整个外部环境的散热过程，其实是由几个散热途径去加总而成，例如，晶粒与乘载金属片的材料特性、封装LED晶粒材料的光学树脂接触与电路板材料热阻特性、 LED元件的表面接触或是介于散热用之铝挤型散热鳍片黏胶，乃至降温装置与空气间的组合等，构成整个热流的散热过程。LED固态光源的运作温度如何有效散逸，会影响整个光源应用的照明效能、能源利用效能、装置寿命等重要关键，而改善散热的方式可自晶片层级的技术、封装LED晶粒的技术、电路板层级的技术去进行改善。

在晶片层级的散热处理手段方面，由于传统的晶片製法，多以蓝宝石作为基板进行设计，而蓝宝石基板的热传导係数接近20W/mK，其实很难将LED磊晶产生的热快速散出，目前主流的作法，在针对LED晶片级的散热强化处理，尤其是针对高功率、高亮度的LED元件方面，为使用覆晶(Flip-Chip)的形式，有效利用覆晶将磊晶的热传导出来。

另也有一种方式，是採行「垂直」电极的方式去製作LED元件，由于LED元件上下两端都设有金属电极，此可在散热的问题上得到更大的助益。例如，採用 GaN基板作为材料，由于GaN基板即为导电材质，因此电极可以直接做在基板下方进行连接，即可得到快速散逸磊晶温度的效益，但这种作法因为材料成本较高，也会比传统蓝宝石基板作法的成本贵上许多，会增加元件的製作成本。

至于封装层级的散热强化作法则相当多，此处列举几个常见的作法。一般而言，LED製作过程，会利用光学等级的环氧树脂来包住整个LED，藉此来使得LED元件能在机械强度方面的表现更佳，甚至也可保护元件内的相关线路，但环氧树脂的作法虽可提升元件强度，却同时限制了元件的温度操作範围，因为光学级的环氧树脂于高温下使用时，会因为高温或是强光，让环氧树脂的光学特性劣化，甚至材质本身也会造成劣化。

目前常见的封装改善方式，仅有在多数中/低功率的LED元件才使用传统的砲弹式封装技术，在高亮度、高功率的LED元件方面，多数改用LumiledsLuxeon系列封装法，将散热路径集中于下方的金属，内部的封装改用光学特性和耐高温、耐强光表现较优异的硅树脂去进行封装，此封装法可获得较佳的机械强度表现，同时其内部对高温、紫外线照射、高强度蓝光LED有更强大的耐受能力。

在电路板层级的散热改善方面，比较一般的作法即採FR4(PCB)製作，热传导性能中上表现的会採取金属基PCB，如MCPCB、IntegratedMetalSubstrate(IMS)处理，进阶高效能热传导能力的会採取陶瓷基板(Ceramic)去製作。

一般FR4(PCB)具备低成本优势，但导热效能相对较差，多用于低功率的LED装载方面。金属基PCB(MCPCB、IMS)由于操作温度高，例如 MCPCB结构由铜箔层、绝缘(介电)层、铝基板构成，一般铜箔层(电路)为1.0~4.0盎司、绝缘(介电)层为7.5um~150um、铝基板(金属核心)层厚度在1mm~3.2mm左右厚度，可用在摄氏140度环境下，但製作成本为中高价位。陶瓷基板(Ceramic)的单价与成本更高，因为陶瓷的热膨胀係数表现佳，可让乘载的晶片更为匹配，但无法用在大面积的电路，对于LED光源应用方面，多数仅用于承载LED元件的区块电路使用，来提升热传导效率。

除前述常见乘载的电路板外，其实还有多款相对具较佳热传导技术的基板技术，例如陶瓷基板(氧化铝)、铝镁合金、软式印刷电路板、直接钢接合基板(DBC)、金属基复合材料基板等技术，但部分技术仍有製程、装载或是成本方面的考量，必须视最终成品的实际热流模型限制与改善幅度是否值得更换载板而定。以上就是LED技术的相关知识，相信随着科学技术的发展，未来的LED灯回越来越高效，使用寿命也会由很大的提升，为我们带来更大便利。