为了让LED发更亮的光而需要输入更高的功率,然而目前大功率LED的光电转换效率值仍然有限,一般仅有约15~25% 的输入功率成为光,其馀则会转换成热能。由于LED晶片面积很小,因此使高功率LED单位面积的发热量(发热密度)非常高,甚至较一般的 IC 元件更为严重,也使得LED 晶片的接面温度大为提升,容易造成过热问题。过高的晶片接面温度会使LED 的发光亮度降低,其中以红光的衰减最为明显。也会造成LED的波长偏移而影响演色性,更会造成LED可靠度的大幅降低,因此散热技术已成为目前LED技术发展的瓶颈。
因此散热设计的挑战较大,必须从晶片层级、封装层级、PCB 层级到系统模组层级,都要非常重视散热设计,并寻求最佳的散热方桉。对于LED照明产品而言,由于系统端的散热限制较大,因此其它层级的散热需求就更明显。
对于LED热传问题,最基本的分析方法就是利用热阻网路进行分析。也就是将LED由晶片热源到环境温度的主要散热路径建构热阻网路,然后分析各热阻值的特性及大小,如此可以推算理想状况时的晶片温度,并针对热阻网路各部分下对策以降低热阻值。需注意的是,实际分析时可依据系统结构组成更详细的热阻网路,例如考虑Die Attach 材料及Solder 等介面材料之热阻,或是散热模组结构之热阻值。
由于LED晶片的Sapphire 基板导热特性较差,会造成热阻值过高,因此改善方式必须用高导热的材料如铜取代Sapphire ,或是採用覆晶方式将基板移开热传路径,以降低热阻值。目前在晶片到封装层级性能较佳的散热设计,包括共融合金基板及覆晶形式等设计,使热更容易从晶片传到封装中。而增加晶片尺寸以降低发热密度也是可行的方向。大功率LED的散热设计非常重要,关系到LED的发光的品质及使用寿命。透过热阻网路可迅速分析散热能力及需求并寻求散热对策,由于大功率LED发热密度很大,必须从Chip Level、Package Level、Board Level到System Level 各层级进行散热设计,降低热阻,才能得到最佳的散热效果。目前国际上各大LED晶片及封装厂商都致力于发展发光效率更高的产品,透过提升光的量子效率等方式提升光电转换效率,以降低晶片发热量。
为了使LED产品的发展及应用更为快速,相关的散热技术仍需同步发展。由于人类对于生活品质的需求不断提升,就如同IC 产品对于散热的需求一直存在,散热设计在各种大功率LED的产品设计中仍将佔有重要的地位。