高亮度LED的散热传导技术探讨

过去LED只能拿来做为状态指示灯的时代，其封装散热从来就不是问题，但近年来LED的亮度、功率皆积极提升，并开始用于背光与电子照明等应用后，LED的封装散热问题已悄然浮现。

　　上述的讲法听来有些让人疑惑，今日不是一直强调LED的亮度突破吗？2003年Lumileds Lighting公司Roland Haitz先生依据过去的观察所理出的一个经验性技术推论定律，从1965年第一个商业化的LED开始算，在这30多年的发展中，LED约每18个月24个月可提升一倍的亮度，而在往后的10年内，预计亮度可以再提升20倍，而成本将降至现有的1/10，此也是近年来开始盛行的Haitz定律，且被认为是LED界的Moore（摩尔）定律。

　　依据Haitz定律的推论，亮度达100lm/W（每瓦发出100流明）的LED约在2008年2010年间出现，不过实际的发展似乎已比定律更超前，2006年6月日亚化学工业（Nichia）已经开始提供可达100lm/W白光LED的工程样品，预计年底可正式投入量产。

　　备注：Haitz定律可说是LED领域界的Moore定律，根据Roland Haitz的表示，过去30多年来LED几乎每1824个月就能提升一倍的发光效率，也因此推估未来的10年（2003年2013年）将会再成长20倍的亮度，但价格将只有现在的1/10。

　　不仅亮度不断提升，LED的散热技术也一直在提升，1992年一颗LED的热阻抗（Thermal Resistance）为360℃/W，之后降至125℃/W、75℃/W、15℃/W，而今已是到了每颗6℃/W10℃/W的地步，更简单说，以往LED每消耗1瓦的电能，温度就会增加360℃，现在则是相同消耗1瓦电能，温度却只上升6℃10℃。

　　少颗数高亮度、多颗且密集排布是增热元凶

　　既然亮度效率提升、散热效率提升，那不是更加矛盾？应当更加没有散热问题不是？其实，应当更严格地说，散热问题的加剧，不在高亮度，而是在高功率；不在传统封装，而在新封装、新应用上。

　　首先，过往只用来当指示灯的LED，每单一颗的点亮（顺向导通）电流多在5mA30mA间，典型而言则为20mA，而现在的高功率型LED（注1），则是每单一颗就会有330mA1A的电流送入，「每颗用电」增加了十倍、甚至数十倍（注2）。

　　注1：现有高功率型LED的作法，除了将单一发光裸晶的面积增大外，也有采行将多颗裸晶一同封装的作法。事实上有的白光LED即是在同一封装内放入红、绿、蓝3个原色的裸晶来混出白光。

　　注2：虽然各种LED的点亮（顺向导通）电压有异，但在此暂且忽略此一差异。

　　在相同的单颗封装内送入倍增的电流，发热自然也会倍增，如此散热情况当然会恶化，但很不幸的，由于要将白光LED拿来做照相手机的闪光灯、要拿来做小型照明用灯泡、要拿来做投影机内的照明灯泡，如此只是高亮度是不够的，还要用上高功率，这时散热就成了问题。

　　上述的LED应用方式，仅是使用少数几颗高功率LED，闪光灯约14颗，照明灯泡约18颗，投影机内10多颗，不过闪光灯使用机会少，点亮时间不长，单颗的照明灯泡则有较宽裕的周遭散热空间，而投影机内虽无宽裕散热空间但却可装置散热风扇。

　　备注：图中为InGaN与AlInGaP两种LED用的半导体材料，在各尖峰波长（光色）下的外部量子化效率图，虽然最理想下可逼近40％，但若再将光取效率列入考虑，实际上都在15％25％间，何况两种材料在更高效率的部分都不在人眼感受性的范畴内，范畴之下的仅有20％。