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。

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18～24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。

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18～24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6～10℃/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5ma～30ma间，典型而言则为20ma，而现在的高功率型led，则是每单一颗就会有330ma～1a的电流送入，“每颗用电”增加了十倍、甚至数十倍。

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1～4颗，照明灯泡约1～8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。

可是，现在还有许多应用是需要高亮度，但又需要将高亮度led密集排列使用的，例如交通号志灯、讯息看板的走马灯、用led组凑成的电视墙等，密集排列的结果便是不易散热，这是应用所造成的散热问题。

散热问题不解决有哪些副作用？

倘若不解决散热问题，而让led的热无法排解，进而使led的工作温度上升，如此会有什么影响吗？关于此最主要的影响有二：
(1) 发光亮度减弱；
(2) 使用寿命衰减。

举例而言，当led的p-n接面温度（junction temperature）为25℃典型工作温度）时亮度为100，而温度升高至75℃时亮度就减至80，到125℃剩60，到175℃时只剩40。很明显的，接面温度与发光亮度是呈反比线性的关系，温度愈升高，led亮度就愈转暗。

温度对亮度的影响是线性，但对寿命的影响就呈指数性，同样以接面温度为准，若一直保持在50℃以下使用则led有近20,000小时的寿命，75℃则只剩10,000小时，100℃剩5,000小时，125℃剩2,000小时，150℃剩1,000小时。温度光从50℃变成2倍的100℃，使用寿命就从20,000小时缩成1/4倍的5,000小时，伤害极大。

裸晶层：光热一体两面的发散源头

关于led的散热我们同样从最核心处逐层向外讨论，一起头也是在p-n接面部分，解决方案一样是将电能尽可能转化成光能，而少转化成热能，也就是光能提升，热能就降低，以此来降低发热。

如果更进一步讨论，电光转换效率即是内部量子化效率（internal quantum efficiency；iqe），今日一般而言都已有70～90%的水准，真正的症结在于外部量子化效率（external quantum efficiency；eqe）的低落。

以lumileds lighting公司的luxeon系列led为例，tj接面温度为25℃，顺向驱动电流为350ma，如此以ingan而言，随着波长（光色）的不同，其效率约在5%～27%之间，波长愈高效率愈低（草绿色仅5%，蓝色则可至27%），而alingap方面也是随波长而有变化，但却是波长愈高效率愈高，效率大体从8%～40%（淡黄色为低，橘红最高）。

从lumileds公司luxeon系列led的横切面可以得知，硅封胶固定住led裸晶与裸晶上的荧光质（若有用上荧光质的话），然后封胶之上才有透镜，而裸晶下方用焊接（或导热膏）与硅子镶嵌芯片（silicon sub-mount chip）连接，此芯片也可强化esd静电防护性，往下再连接散热块，部分led也直接裸晶底部与散热块相连。lumileds公司luxeon系列led的裸晶采行覆晶镶嵌法，因此其蓝宝石基板变成在上端，同时还加入一层银质作为光反射层，进而增加光取出量，此外也在silicon submount内制出两个基纳二极管（zener diode），使led获得稳压效果，使运作表现更稳定。

由于增加光取出率（extraction efficiency，也称：汲光效率、光取效率）也就等于减少热发散率，等于是一个课题的两面。

在裸晶层增加散热：基板材料、覆晶式镶嵌

如何在裸晶层面增加散热性，改变材质与几何结构再次成为必要的手段，关于此目前最常用的两种方式是：
1. 换替基板（substrate，也称：底板、衬底，有些地方也称为：carrier）的材料。
2. 经裸晶改采覆晶（flip-chip，也称：倒晶）方式镶嵌（mount）。

先说明基板部分，基板的材料并不是说换就能换，必须能与裸晶材料相匹配才行，现有algainp常用的基板材料为gaas、si，ingan则为sic、sapphire（并使用aln做为缓冲为了强化led的散热，过去的fr4印刷电路板已不敷应付，因此提出了内具金属核心的印刷电路板，称为mcpcb，运用更底部的铝或铜等热传导性较佳的金属来加速散热，不过也因绝缘层的特性使其热传导受到若干限制。

对光而言，基板不是要够透明使其不会阻碍光，就是在发光层与基板之间再加入一个反光性的材料层，以此避免“光能”被基板所阻碍、吸收，形成浪费，例如gaas基板即是不透光，因此再加入一个dbr（distributed bragg reflector）反射层来进行反光。而sapphire基板则是可直接反光，或透明的gap基板可以透光。

除此之外，基板材料也必须具备良好的热传导性，负责将裸晶所释放出的热，迅速导到更下层的散热块（heat slug）上，不过基板与散热块间也必须使用热传导良好的介接物，如焊料或导热膏。同时裸晶上方的环氧树脂或硅树脂（即是指：封胶层）等也必须有一定的耐热能力，好因应从p-n接面开始，传导到裸晶表面的温度。

除了强化基板外，另一种作法是覆晶式镶嵌，将过去位于上方的裸晶电极转至下方，电极直接与更底部的线箔连通，如此热也能更快传导至下方，此种散热法不仅用在led上，现今高热的cpu、gpu也早就采行此道来加速散热。

从传统fr4 pcb到金属核心的mcpcb

将热导到更下层后，就过去而言是直接运用铜箔印刷电路板（printed circuit board；pcb）来散热，也就是最常见的fr4印刷电路基板，然而随着led的发热愈来愈高，fr4印刷电路基板已逐渐难以消受，理由是其热传导率不够（仅0.36w/m.k）。

为了改善电路板层面的散热，因此提出了所谓的金属核心的印刷电路板（metal core pcb；mcpcb），即是将原有的印刷电路板附贴在另外一种热传导效果更好的金属上（如：铝、铜），以此来强化散热效果，而这片金属位在印刷电路板内，所以才称为metal core，mcpcb的热传导效率就高于传统fr4 pcb，达1w/m.k～2.2w/m.k。

不过，mcpcb也有些限制，在电路系统运作时不能超过140℃ ，这个主要是来自介电层（dielectric layer，也称insulated layer，绝缘层）的特性限制，此外在制造过程中也不得超过250～300℃ ，这在过锡炉时前必须事先了解。

为了改善此一情形，有业者提出了ims（insulated metal substrate，绝缘金属基板）的改善法，将高分子绝缘层及铜箔电路以环氧方式直接与铝、铜板接合，然后再将led配置在绝缘基板上，此绝缘基板的热传导率就比较高，达1.1～2w/m.k，比之前高出3～7倍的传导效率。

更进一步的，若绝缘层依旧被认为是导热性不佳，也有直接让led底部的散热块，透过在印刷电路板上的穿孔（through hole）作法，使其直接与核心金属接触，以此加速散热。此作法很耐人寻味，因为过去的印刷电路板不是为插件组件焊接而凿，就是为线路绕径而凿，如今却是为散热设计而凿。

结论

除了mcpcb、mcpcb＋ims法之外，也有人提出用陶瓷基板（ceramic substrate），或者是所谓的直接铜接合基板（direct copper bonded substrate，简称dbc），或是金属复合材料基板。无论是陶瓷基板或直接铜接合基板都有24～170w/m.k的高传导率，其中直接铜接合基板更允许制程温度、运作温度达800℃ 以上，不过这些技术都有待更进一步的成熟观察。