預防 LED 接面溫度過高

普通的高亮度 (HB) LED 僅會將施加的能量中約 45% 轉換為可視光子，其餘的能量則產生熱。 若 LED 未充分耗散此熱量，則會導致過熱，進而引發災難性故障。 即使未發生災難性故障，LED 接面溫度升高亦會導致光輸出降低、色彩變動和／或預期使用壽命顯著縮短。

本文說明如何計算接面溫度並闡述熱阻的重要性。 文中會探討諸如晶片尺寸封裝與晶片直接封裝 (COB) 設計等較低熱阻的 LED 封裝替代方案，並分析影響散熱片效能的因素。

熱能如何產生並影響 LED

當 LED 的 P-N 接面正確施加充足的電壓後，電流會流經接面，同時產生光和熱能。 不過，普通的高亮度 (HB) LED 僅會將施加的能量中約 45% 轉換為光線，其餘的則產生熱。

由於 P-N 接面較小，因此每單位面積的熱生成率較高：1 W、1 mm² 的 LED 會產生最多 100 W/cm²。 隨著接面溫度升高，LED 的順向電壓與光輸出會跟著降低。 為了延長產品壽命並維持效能，LED 的接面溫度在操作期間必須維持在製造商制訂的規格範圍內。

如圖 1 所示，在恆定工作電流下，接面溫度每上升 10°C，順向電壓即會下降約 20 mV。 具體而言，當處於 350 mA 恆定電流時，LED 接面溫度從 25˚C 上升至 80˚C，順向電壓即會降低 0.17 V。 

圖 1：高 LED 接面溫度使順向電壓降低。 （資料來源：Osram）

同樣地，接面溫度從 25˚C 上升至 80˚C，光輸出就會降低 10%，如圖 2 所示。 若 LED 在溫度為 25˚C 時產生 90 流明，則在接面溫度為 80˚C 時僅會產生 81 流明。 簡言之，當處於恆定工作電流時，接面溫度每上升 10°C，光效即會降低約 1.8%。

圖 2：LED 接面溫度升高導致光輸出降低。 （資料來源：Osram）

LED 主波長為 LED 主要發出的光子波長，且會決定 LED 的顏色。 針對單色 LED，如圖 3 所示的紅光 626 nm LED，主波長會隨著接面溫度上升而增加，導致顏色改變。

圖 3：接面溫度升高導致主波長變動，進而改變 LED 的顏色。 （資料來源：Osram）

計算接面溫度

固態照明裝置的光效主要取決於接面溫度，而接面溫度又主要取決於以下三項因素：施加的功率；LED 接面與環境溫度間的熱阻；環境溫度本身。 施加的功率會決定產生的熱量，而熱阻與環境條件則會決定熱能的耗散效率。

兩個重要熱路徑的熱阻會影響接面溫度。 第一個是 LED 接面與封裝底部熱接點之間的熱阻。 第二個是熱接點至環境間的熱阻。

LED 接面溫度 (T_J) 是接面至環境產生之熱阻（以下方程式中的 R_{th j-a}) 和耗散功率 P_d (I_f x V_f) 之乘積，再加上環境溫度 (T_A) 的總和。 熱阻定義如下：每單位耗散功率之元件溫度上升值，單位為 °C/W。

方程式為：

在設計照明系統時，瞭解 LED 裝置從接面至環境的熱路徑極其重要，以確保提供最高熱效能。 為了簡化說明，以下僅探討 LED 接面與環境間的熱阻總和，不過在實際的 LED 照明系統中，整個系統的熱路徑涵蓋許多熱阻。

低熱阻能讓 LED 以較高電流驅動，藉此提高亮度，而無須擔憂過熱導致提早故障的風險過高。 製造商的規格書中應列出 LED 的最高接面溫度與熱阻。

封裝有所助益

LED 接面至封裝底部熱接點的熱阻取決於封裝設計。 瞭解此點後，工程師即可專注在開發更高散效率的設計，例如晶片尺寸封裝 (CSP) 裝置和晶片直接封裝 (COB) LED。

CSP 技術揚棄了傳統的次黏著方式，而是直接將 LED 晶粒安裝在 PC 板上（圖 4）。 由於難以在如此小型的裝置上抽離熱能，因此 CSP 一直到最近才較常用於 LED。 不過隨著光效提高以及更高的溫度耐受能力，此問題已經解決。

圖 4：CSP 技術的眾多優勢包括更低的熱阻。 （資料來源：Samsung Semiconductor）

CSP 並無標準定義，不過業界一般將「晶片尺寸封裝 LED」視為與 LED 發光區尺寸相等或最多大 20% 的任何裝置。 CSP 的熱阻低於傳統 LED，這主要歸功於 CSP LED 和 PC 板散熱片表面之間的金屬對金屬介面。

例如，Samsung Semiconductor 的 SCP8RT78HPL1R0S06E 封裝熱阻僅有 2°C/W。 Samsung 的 CSP 技術整合了覆晶技術與燐光體塗層技術，因此無需使用金屬線路和塑膠模具，進而縮小傳統 LED 封裝的尺寸。

透過 COB 方法，製造商可將眾多晶粒直接封裝至基板。 Bridgelux 的 Vero 和 V 系列 LED 產品陣列具有 1.6°C/W 至最低 0.25°C/W 的低熱阻範圍，這是透過 LED 晶粒結構所達成，且其中的熱路徑與電路徑彼此分隔。

若要達到良好的熱傳輸，必須將 LED 安裝至乾淨、平坦、平滑的散熱片。 此外，亦須在 LED 與散熱片之間使用熱介面材料 (TIM)，以達到良好的熱傳輸。 LED 供應商 Cree 聲稱其推出的陶瓷基板 CX 系列 LED（例如 CXA1304-0000-000C00A427F），其背面材質比起其他 COB LED 常用的鋁質基板，平滑度為十倍。

若要判定散熱片的平坦程度，Cree 建議使用刀片的筆直刀緣直接碰觸散熱片，檢查兩者之間是否存有縫隙（圖 5）。

圖 5：檢查散熱片平坦程度。 （資料來源：Cree）

熱介面材料與散熱片

一般 LED 照明系統會採用多個 HB LED 封裝，這些封裝附著至基板，然後安裝至散熱片。 由於 LED 不像傳統白熾燈泡會散發熱輻射，因此必須透過基板將其產生的熱能導離。 傳統熱基板包括兩種陶瓷類型：氧化鋁或鋁氧 (Al₂O₃) 以及氮化鋁 (AlN)。 進行組裝時，基板底部表面應完整接觸散熱片的安裝表面。 在 LED 與散熱片之間使用熱介面材料 (TIM)，以填滿微小間隙和氣隙，協助導熱。 若 LED 與散熱片之間存有空隙，熱路徑效率將受影響。 TIM 可採用多種形式，例如黏膠、油脂、凝膠、襯墊、焊接合金和環氧樹脂。

散熱片是熱堆疊的最後一個整體零件。 散熱片可將熱能從 LED 轉出，有助於接面溫度維持在可接受的限值內。 設計人員應考量散熱片的表面、表面積、空氣動力、熱傳輸和安裝情況。

散熱片有三種運作方式：傳導（熱能從固態媒介傳遞至另一個固態媒介）、對流（熱能從固態媒介傳遞至流體，通常是空氣），或是輻射（熱能在兩個不同表面溫度的實體間傳遞）。 散熱片通常是採用諸如鋁或銅等金屬搭配眾多鰭片製成，藉此增加表面積（表 1）。

表 1：一般散熱片材料與空氣的熱傳導率（資料來源：Bridgelux）

可使用被動或主動散熱方式，搭配散熱片協助降溫。 依照一般通則，若要耗散每一瓦功率，就必須有 10 平方英吋的散熱片表面積。

結論

大多數 LED 故障原因都與溫度有關。 即使 LED 接面溫度上升未導致故障發生，仍可能導致光輸出降低、色彩變異和／或預期使用壽命顯著縮短。 本文說明如何計算接面溫度並闡述熱阻的重要性。 文中亦探討諸如晶片尺寸封裝與晶片直接封裝 (COB) 設計等較低熱阻的 LED 封裝替代方案，並分析影響散熱片效能的因素。