高亮度LED的散熱傳導(dǎo)技術(shù)探討

　　先說明基板部分，基板的材料并不是說換就能換，必須能與裸晶材料相匹配才行，現(xiàn)有AlGaInP常用的基板材料為GaAs、Si，InGaN則為SiC、Sapphire（并使用AlN做為緩沖層）。

　　備注：為了強(qiáng)化LED的散熱，過去的FR4印刷電路板已不敷應(yīng)付，因此提出了內(nèi)具金屬核心的印刷電路板，稱為MCPCB，運(yùn)用更底部的鋁或銅等熱傳導(dǎo)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(dǎo)受到若干限制。（制圖：郭長(zhǎng)佑）

　　對(duì)光而言，基板不是要夠透明使其不會(huì)阻礙光，就是在發(fā)光層與基板之間再加入一個(gè)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(fèi)，例如GaAs基板即是不透光，因此再加入一個(gè)DBR（Distributed Bragg Reflector）反射層來進(jìn)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(dǎo)性，負(fù)責(zé)將裸晶所釋放出的熱，迅速導(dǎo)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(dǎo)良好的介接物，如焊料或?qū)岣?。同時(shí)裸晶上方的環(huán)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(yīng)從p-n接面開始，傳導(dǎo)到裸晶表面的溫度。

　　除了強(qiáng)化基板外，另一種作法是覆晶式鑲嵌，將過去位于上方的裸晶電極轉(zhuǎn)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(dǎo)至下方，此種散熱法不僅用在LED上，現(xiàn)今高熱的CPU、GPU也早就采行此道來加速散熱。

　　從傳統(tǒng)FR4 PCB到金屬核心的MCPCB

　　將熱導(dǎo)到更下層后，就過去而言是直接運(yùn)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(fā)熱愈來愈高，F(xiàn)R4印刷電路基板已逐漸難以消受，理由是其熱傳導(dǎo)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(dǎo)效果更好的金屬上（如：鋁、銅），以此來強(qiáng)化散熱效果，而這片金屬位在印刷電路板內(nèi)，所以才稱為「Metal Core」，MCPCB的熱傳導(dǎo)效率就高于傳統(tǒng)FR4 PCB，達(dá)1W/m.K2.2W/m.K。

　　不過，MCPCB也有些限制，在電路系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)不能超過140℃，這個(gè)主要是來自介電層（Dielectric Layer，也稱Insulated Layer，絕緣層）的特性限制，此外在制造過程中也不得超過250℃300℃，這在過錫爐時(shí)前必須事先了解。

　　附注：雖然鋁、銅都是合適的熱導(dǎo)熱金屬，不過礙于成本多半是選擇鋁材質(zhì)。

　　IMS強(qiáng)化MCPCB在絕緣層上的熱傳導(dǎo)

　　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(dǎo)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(dǎo)瓶頸。

　　為了改善此一情形，有業(yè)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(huán)氧方式直接與鋁、銅板接合，然后再將LED配置在絕緣基板上，此絕緣基板的熱傳導(dǎo)率就比較高，達(dá)1.12W/m.K，比之前高出37倍的傳導(dǎo)效率。

　　更進(jìn)一步的，若絕緣層依舊被認(rèn)為是導(dǎo)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?yàn)檫^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(shè)計(jì)而鑿。