高亮度LED的散熱傳導技術探討

　　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：為了強化LED的散熱，過去的FR4印刷電路板已不敷應付，因此提出了內具金屬核心的印刷電路板，稱為MCPCB，運用更底部的鋁或銅等熱傳導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受到若干限制。（制圖：郭長佑）

　　對光而言，基板不是要夠透明使其不會阻礙光，就是在發光層與基板之間再加入一個反光性的材料層，以此避免「光能」被基板所阻礙、吸收，形成浪費，例如GaAs基板即是不透光，因此再加入一個DBR（Distributed Bragg Reflector）反射層來進行反光。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性，負責將裸晶所釋放出的熱，迅速導到更下層的散熱塊（Heat Slug）上，不過基板與散熱塊間也必須使用熱傳導良好的介接物，如焊料或導熱膏。同時裸晶上方的環氧樹脂或矽樹脂（即是指：封膠層）等也必須有一定的耐熱能力，好因應從p-n接面開始，傳導到裸晶表面的溫度。

　　除了強化基板外，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至下方，此種散熱法不僅用在LED上，現今高熱的CPU、GPU也早就采行此道來加速散熱。

　　從傳統FR4 PCB到金屬核心的MCPCB

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

　　不過，MCPCB也有些限制，在電路系統運作時不能超過140℃，這個主要是來自介電層（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℃，這在過錫爐時前必須事先了解。

　　附注：雖然鋁、銅都是合適的熱導熱金屬，不過礙于成本多半是選擇鋁材質。

　　IMS強化MCPCB在絕緣層上的熱傳導

　　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瓶頸。

　　為了改善此一情形，有業者提出了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率就比較高，達1.12W/m.K，比之前高出37倍的傳導效率。

　　更進一步的，若絕緣層依舊被認為是導熱性不佳，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，因為過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，如今卻是為散熱設計而鑿。