中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

高功率 LED 散熱模組之效益研究

Performance of

High Power LED Thermal Dissipation

系 所 別：機械工程學系碩士班 學號姓名：E09708009 吳智敏 指導教授：林育立 博士

中華民國 九十九 年 七 月

摘要 摘要 摘要 摘要

本研究是將LED之90µm藍寶石基板研磨去除，其上的磊晶層(EPI)仍保持其完整 性，再將磊晶層固晶在類鑽石膜或矽散熱材上，觀察其散熱狀況為本研究之重點，

而藍寶石的研磨去除是此研究的關鍵過程。

本研究首先以一般LED置放於石墨或類鑽石膜散熱板，觀察LED在不同散熱材之 條件下之散熱狀況，因LED所使用之藍寶石基板之不散熱特性，所以雖然使用石墨或 類鑽石膜作為散熱板，但對於整體LED之散熱效果並無明顯之效果，因此將藍寶石基 板去除，直接將磊晶層與散熱板接觸為LED散熱效果之關鍵;其步驟首先將LED磊晶 層黏附於雙手可抓取之治具上，將研磨治具放置研磨拋光機上先用600號砂紙做研 磨，直到厚度約至60µm時，再將砂紙換成1000號做研磨，直到厚度約至40µm。再將 砂紙換成2000號做研磨，去除過程以將藍寶石基板完全去除為原則。研磨過程中在 每用一種號數的砂紙研磨10到20分鐘要放置顯微鏡下測量剩餘厚度及觀察LED外觀 是否完整，此部份應注意研磨拋光機之轉速要慢，以及研磨時間的控制和研磨厚度 以及手握治具的穩定性，才能達到最佳的成效。

由實驗結果得知在1毫米正方形試片上將去除藍寶石基板後之磊晶層固晶在矽散 熱材，在輸入功率1.5W與一般LED承載於相同heat sink(cu plate)條件下比較，發現接 面溫度可從51.1°C降低到44.9°C，熱阻(RT)量測值為15.3°C/W。在輸入功率1W與一 般LED承載於相同heat sink(cu plate)條件下比較，發現接面溫度可從47.8°C降低到 40.9°C，熱阻(RT)量測值為17.1°C/W。

固晶在鑽石膜的情況，在輸入功率1.5W與一般LED承載於相同heat sink(cu plate) 條件下比較，則接面溫度可從51.1°C降低到43.8°C，熱阻(RT)量測值為14.8°C/W。在 輸入功率1W與一般LED承載於相同heat sink(cu plate)條件下比較，則接面溫度可從 47.8°C降低到40.2°C，熱阻(RT)量測為16.6°C/W。

關鍵字：LED、研磨、接面溫度、LED散熱

Abstract

The purpose of this study is to remove the 90µm thickness of sapphire substrate of LED and the epitaxial layer (EPI) still maintains its integrity. The epitaxial layer of LED was then put directly on diamond and silicon dissipation plate. The thermal performance of LED was observed. In this study, how to fully remove the sapphire substrate is the key process.

In experiment, the thermal dissipation was first tested when the general LED placed on the graphite or diamond dissipation film. Due to the characteristics of sapphire substrate, the effect of thermal dissipation was not obvious. Therefore, to increase the effect of thermal dissipation of LED devices, the removal of sapphire substrate will be the key. To remove the sapphire substrate, LED was first attached on a plate that can be manipulated by hands. Sandpaper with #600 was first used in grinding processes until the thickness of substrate was reduced to about 60µm; sandpaper with #1000 was then used to reduce the thickness of substrate to about 40µm. Sandpaper with #2000 was utilized as the final grinding process to remove all the sapphire substrate. It is important to investigate the specimen under microscope through grinding to check the thickness of substrate which is removed. In grinding, it should be very carefully to control the grinding speed. Low speed is better in this process.

When the specimen with 1mm² in square put on the silicon dissipation plate after the sapphire substrate was removed, it was fond that the measured junction temperature can be reduced from 51.1°C to 44.9°C comparing to that general LED without removing the sapphire substrate at the same condition at 1.5W power. The thermal resistance (RT) at this condition was measured to be 15.3°C/W. On the other hand, it was fond that the measured junction temperature can be reduced from 47.8°C to 40.9°C comparing to that general LED without removing the sapphire substrate at the same condition at 1W power. The thermal

resistance (RT) at this condition was measured to be 17.1°C/W.

When the specimen with 1mm² in square put on the diamond dissipation plate after sapphire substrate was removed, it was fond that the measured junction temperature can be reduced from 51.1°C to 43.8°C comparing to that general LED without removing the sapphire substrate at the same condition at 1.5W power. The thermal resistance (RT) at this condition was measured to be 14.8°C/W. However, it was fond that the measured junction temperature can be reduced from 47.8°C to 40.2°C comparing to that general LED without removing the sapphire substrate at the same condition at 1W power. The thermal resistance (RT) at this condition was measured to be 16.6°C/W.

Keywords: LED, Grinding, Junction temperature, LED thermal dissipation

誌謝 誌謝 誌謝 誌謝

感謝我的指導老師 林育立教授，兩年來在研究領域上的指導，使我能夠順利完 成碩士論文，在此致上由衷的謝忱。在學習與研究過程中老師給予我滿滿的支持，亦 提供我自由學習的空間，也在關鍵的時刻指引我正確的方向。

在口試期間承蒙口試委員: 賴宏仁博士和馬廣仁博士的不吝指教，提供許多重 要的見解，讓我受益良多，使我的論文更趨完美，在此一併致上崇高的謝意

研究期間，感謝許政義學長，給予諸多的幫忙與協助。另外也要感謝同學戴章 倫、王俊旭，以及學弟鄧大誠，陪我ㄧ起為實驗研究打拼所提供的協助。

最後要感謝我的父母與家人，在我求學期間給予了最大的支持與鼓勵，才能讓 我在學業上有所收穫。在此獻上我誠摯的感謝，也祝福各位未來能一切順利。

總 總

總 總 目 目 目 目 錄 錄 錄 錄

摘要...i

Abstract...ii

誌謝...iv

總目錄...v

表目錄...vii

圖目錄...viii

第一章 序論...1

1.1 研究動機...1

1.2 前言...2

第二章 文獻回顧...6

2.1 LED 發光原理...6

2.2 傳統氮化鎵 LED 元件之散熱路徑...8

2.3 LED 藍寶石基板發光效率提昇...8

2.4 LED 散熱材料選用...11

2.5 發光二極體的熱管理...14

2.6 熱阻的定義...18

第三章 實驗設備與實驗步驟...20

3.1 去除藍寶石基板的研磨拋光製作...21

3.2 固晶及去銀膠的製作...24

3.3 固晶完點亮檢測...26

3.4 接面溫度的量測...27

第四章 實驗結果與討論...29

4.1 LED 承載於 Au-To 散熱板之比較討論...30

4.2 LED 承載於 Cu plate 散熱板之比較討論...32

4.3 LED 承載於 Au-To 及 Cu plate 散熱板之比較討論...34

4.4 LED 承載於 Al plate 之比較討論...35

4.5 LED 承載於 Al plate+散熱座之比較討論...37

4.6 LED 承載於 Al plate 及 Al plate+散熱座之比較討論...38

4.7 LED 承載於不同散熱材之比較討論...40

4.8 輸入功率 1W 時，LED 及 LED EPI 承載於 Cu plate 散熱材之比較討論...43

4.9 輸入功率 1.5W 時，LED 及 LED EPI 承載於 Cu plate 散熱材之比較討論... 46

4.10 輸入功率 1W 及 1.5W，LED 及 LED EPI 皆承載於 Cu plate 散熱材之比較討 論... 49

第五章 結論...52

參考文獻...54

表 表

表 表 目 目 目 目 錄 錄 錄 錄

【表 1-1】 各種光源比較表...58

【表 2-1】常見 LED 元件材料的熱膨脹係數及熱傳導係數...58

【表 2-2】鑽石與銀及銅熱傳導係數之比較表...59

【表 3-1】 類鑽石性質表...59

【表 3-2】石墨紙性質表...60

【表 4-1】LED 承載於 Au-To 接面溫度及熱阻量測表...31

【表 4-2】LED 承載於 Cu plate 接面溫度及熱阻量測表...33

【表 4-3】 LED 承載於 Au-To 及 Cu plate 接面溫度及熱阻量測表...34

【表 4-4】LED 承載於 Al plate 接面溫度及熱阻量測表...36

【表 4-5】LED 承載於 Al plate+散熱座接面溫度及熱阻量測表...37

【表 4-6】 LED 承載於 Al plate 及 Al plate+散熱座接面溫度及熱阻量測表...38

【表 4-7】LED 承載於不同散熱材接面溫度及熱阻量測表...40

【表 4-8】 輸入功率 1W 時，LED 及 LED EPI 承載於 Cu plate 接面溫度及熱阻量測..44

【表 4-9】 輸入功率 1.5W 時，LED 及 LED EPI 承載於 Cu plate 接面溫度及熱阻量測..47

【表 4-10】輸入功率 1W 及 1.5W，LED 及 LED EPI 承載於 Cu plate 接面溫度及熱阻 量測………..49

圖 圖

圖 圖 目 目 目 目 錄 錄 錄 錄

【圖 1-1】接面溫度與發光效率關係圖...1

【圖 1-2】LED 溫度與壽命關係...2

【圖 2-1】P-N 二極體結構示意圖...7

【圖 2-2】P-N 二極體 P-N 載子移動圖示意圖...7

【圖 2-3】LED 發光原理圖...7

【圖 2-4】為典型以氮化鎵為主的 LED...8

【圖 2-5】標準結構和 ITO top 結構和表面粗糙化結構...9

【圖 2-6】表面未粗糙化...10

【圖 2-7】表面粗糙化...10

【圖 2-8】為圖形化藍寶石結構圖...10

【圖 2-9】SP³、SP²、SP¹ 軌域型態示意圖...11

【圖 2-10】傳統 LED、Filp-chip LED 與 VLED 的結構圖...14

【圖 2-11】含有散熱塊(heat slug)之設計圖...15

【圖 2-12】MCPCB 之結構圖...16

【圖 2-13】現今熱管理常用之設計圖...18

【圖 3-1】實驗流程圖...20

【圖 3-2】 LED 晶粒...22

【圖 3-3】研磨拋光機...22

【圖 3-4】研磨紙...22

【圖 3-5】研磨拋光示意圖...23

【圖 3-6】研磨後 LED 外觀不完整圖...23

【圖 3-7】研磨後 LED 外觀完整圖...23

【圖 3-8】EPI no sapphire SEM...24

【圖 3-9】EPI no sapphire SEM 剩餘厚度圖...24

【圖 3-10】 加熱器...24

【圖 3-11】To-can(Au-To)外觀圖...25

【圖 3-12】 LED 固晶在類鑽石墨承載於 Au-To...25

【圖 3-13】 EPI 固晶類鑽石膜承載於 Cu plate 遠觀圖...26

【圖 3-14】 EPI 固晶類鑽石膜承載於 Cu plate 近觀圖...26

【圖 3-15】點亮測試 1...26

【圖 3-16】點亮測試 2...26

【圖 3-17】 接面溫度量測儀器面板開關圖...27

【圖 3-18】將待測物銜接於“Reference” 及 “Test”連接線上...27

【圖 3-19】烘烤箱...28

【圖 3-20】Temp Rise 數值歸零...28

【圖 4-1】 LED/Heat sink:Au-To 示意圖...30

【圖 4-2】 LED+DLC/Heat sink:Au-To 示意圖...30

【圖 4-3】 LED+Graphite/Heat sink:Au-To 示意圖...30

【圖 4-4】 LED 承載於 Au-To 熱阻及接面溫度直條圖...31

【圖 4-5】 LED/Heat sink:Cu plate 示意圖...32

【圖 4-6】 LED+DLC/Heat sink: Cu plate 示意圖...32

【圖 4-7】 LED+Graphite/Heat sink: Cu plate 示意圖...32

【圖 4-8】 LED 承載於 Cu plate 熱阻及接面溫度直條圖...33

【圖 4-9】 LED 承載於 Au-To 及 Cu plate 熱阻及接面溫度直條圖...34

【圖 4-10】 LED/Heat sink: Al plate 示意圖...35

【圖 4-11】 LED+DLC/Heat sink: Al plate 示意圖...35

【圖 4-12】 LED 承載於 Al plate 熱阻及接面溫度直條圖...36

【圖 4-13】 LED/Heat sink: Al plate+散熱座示意圖...37

【圖 4-14】 LED+DLC/Heat sink: Al plate+散熱座示意圖...37

【圖 4-15】 LED 承載於 Al plate+散熱座熱阻及接面溫度直條圖...38

【圖 4-16】 LED 承載於 Al plate 及 Al plate+散熱座熱阻及接面溫度直條圖...39

【圖 4-17】 LED 承載於不同散熱材熱阻及接面溫度直條圖...40

【圖 4-18】LED/Heat sink:Cu plate 示意圖...43

【圖 4-19】LED+DLC /Heat sink:Cu plate 示意圖...43

【圖 4-20】 LED EPI +Silicon /Heat sink:Cu plate 示意圖...43

【圖 4-21】 LED EPI +DLC /Heat sink:Cu plate 示意圖...44

【圖 4-22】輸入功率 1W 時，LED 及 LED EPI 承載於 Cu plate 熱阻及接面溫度直條 圖...44

【圖 4-23】LED/Heat sink:Cu plate 示意圖...46

【圖 4-24】LED+DLC /Heat sink:Cu plate 示意圖...46

【圖 4-25】 LED EPI +Silicon /Heat sink:Cu plate 示意圖...46

【圖 4-26】 LED EPI +DLC /Heat sink:Cu plate 示意圖...47

【圖 4-27】 輸入功率 1.5W 時，LED 及 LED EPI 承載於 Cu plate 熱阻及接面溫度直 條圖...47

【圖 4-28】輸入功率 1W 及 1.5W 時，LED 及 LED EPI 承載於 Cu plate 接面溫度折 線圖...50

【圖 4-29】 輸入功率 1W 及 1.5W 時，LED 及 LED EPI 承載於 Cu plate 熱阻折線圖...50

第一章 第一章

第一章 第一章 序論 序論 序論 序論

1.1 研究動機 研究動機 研究動機 研究動機

隨著全球環保的意識抬頭，節能省電已成為當今的趨勢。LED產業是近年 來最受矚目的產業之一。發展至今，LED產品已具有節能、省電、高效率、反應 時間快、壽命週期長、且不含汞，具有環保效益等優點。然而通常LED高功率產 品輸入功率約為20%能轉換成光，剩下80%的電能均轉換為熱能。

由於LED晶片面積很小(~1mm²)，因此使得高功率LED單位面積的發熱量

（發熱密度）非常高，甚至較一般的 IC 元件更為嚴重，也因此使得LED 晶片 的接面溫度(Junction Temperature)大為提升，容易造成LED過熱的問題。

一般而言，LED發光時所產生的熱能若無法導出，將會使LED接面溫度過 高，進而影響產品生命週期、發光效率、穩定性，而LED接面溫度、發光效率及 壽命之間的關係，其關係圖如【圖1-1】【圖1-2】。因此本研究之動機即啟發於 此。

【圖 1-1】接面溫度與發光效率關係圖【1】

【圖 1-2】LED 溫度與壽命關係圖【2】

1.2 前言 前言 前言 前言

在 1950 年代，以 GaN 為主要製造材料的藍光 LED 率先於美國問世；可是 它卻經歷了數十年才真正成為可量產的技術。日本科學家中村修二（Shuji Nakamura）教授可說是整個藍光 LED 技術突破的主要推手，成功研發出 1 燭光 亮度的藍色發光二極體，使得發光二極體進入全彩的時代。中村博士於 1990 年 代中就職於日亞化學工業時，帶領其研發團隊率先生產高亮度藍光 LED，繼而 以生產藍寶石（Sapphire）基板為主要基板材料來製造藍光 LED【3-6】。這個突 破不但影響整個照明事業之技術發展，緊接著台灣、中國大陸及南韓的 GaN LED 生產量更在 2004 年前成長超過 3 倍，成為全球藍光 LED 主要生產區域。

以半導體技術製造的「白色發光二極體」是一種冷光源，這種燈泡不含水 銀、體積小、省電、使用壽命長，可望在二十一世紀取代鎢絲燈和水銀燈，成 為兼具省電和環保概念的新照明光源。

照明燈泡是現代生活所不可或缺的民生用品，儘管世界各國隨著現代化層 次和生活品質的需求不同，對照明燈泡的需求程度亦不同。而全球花在照明的 總平均用電量，約為全球總用電量的百分之四十，是非常可觀的。石油危機使

的技術。

鎢絲燈泡和水銀燈管是目前最普遍使用的傳統照明燈，鎢絲燈的發光過 程，將大部份的電能轉換成輻射熱，因此發光效能不高，其所產生的輻射熱，

在亞熱帶地區更增加空調系統的負擔。水銀燈管的發光效能雖然優於鎢絲燈，

但燈管內壁所塗抹的水銀，在燈管被丟棄時會造成環境污染。

各先進國家皆積極投入光電半導體氮化鎵開發計畫研究，更提出不需經過 光轉換的照明用白色發光二極體燈泡製作的想法，使得發光二極體成為繼電晶 體和雷射二極體之後，半導體技術再一次產生革命性的影響。目前全世界積極 朝向更高亮度以上的藍綠光發光二極體發展。

為什麼藍色發光二極體的發現，是半導體應用技術上的突破性的發展？到 底發光二極體有什麼神奇，能取代傳統照明燈泡？事實上，藍色發光二極體是 一個困難度高的技術，把藍色發光二極體和黃色發光二極體結合，才能產出白 色發光二極體，因此在藍色發光二極體尚未研發出來之前，白色發光二極體根 本就不存在。也因為藍色發光二極體的出現，使發光二極體能以全彩色化的方 式呈現，目前已經開始應用於發光二極體全彩色化戶外顯示幕。

因為發光二極體是一種半導體元件，故壽命長；由電轉換為光的效率高，

耗電量少；同時發光二極體元件是一種極小的發光源，所以可配合各種應用設 備的小型化。和一般燈泡比較起來，發光二極體燈泡的壽命要高出 50-100 倍，

二極體本身耗費的電量約是一般燈泡的 1/3-1/5，由於白色發光二極體燈泡具有 多項優點，可望在二十一世紀取代鎢絲燈和水銀燈，成為兼具省電和環保概念 的新照明光源。

傳統照明燈具的問題，如白熾燈泡雖便宜但有發光效率低、高耗電、壽命 短、易碎等缺點。而日光燈雖很省電但其廢棄物具有汞污染、易碎 等問題。相 對而言，符合節能環保安全的白光 LED，因是屬於化合物半導體的一種，其比 較如【表 1-1】所示，白光 LED 之亮度亦不斷地在提昇。

板材質。藍光 LED 晶粒的長晶材料的藍寶石基板是由藍寶石晶棒切割而成，藍 寶石晶棒是將氧化鋁(Al2O3)的單晶作為長晶的基礎，採拉晶法培育生長，培育方 法因各家廠商參數不同而有不同純度。

藍寶石基板(Sapphire)及碳化矽基板主要應用於氮化鎵系發光二極體。發光 二極體基板選用影響到發光二極體發光亮度、發光效率與使用壽命等產品特性，

因此廠商對於基板的選擇就特別的謹慎，就使用基板的種類來分析，由於碳化矽 基板單價高，因此在氮化鎵系發光二極體的生產上，以藍寶石基板應用較為普遍。

Sapphire 基板不導電，相對來說有較低的熱傳導性，低反射性；金屬基板導 熱性佳，熱傳導係數高，具高反射性。

然而傳統 Sapphire 基板並不是全無好處，它在低功率仍有不可動搖的地位，

因為低功率 LED 會產生的熱有限，並且多年的發展下來，也適用於各種封裝設 計【7-9】。

LED 從發展至今數十年來所使用到的散熱封裝技術已經慢慢達到其極限，

再加上 LED 發光效率地逐年提升，從 2006 年的 50 lm/W 提高到 2008 年的 150 lm/W，因此為了達到更好的散熱效果，現行封裝技術通常採兩方向進行: (a)第 一種方法為增加散熱源與外界接觸之面積，使熱量不至於累積於晶粒內部，如 增長散熱片之長度，此技術雖然可達到一定的散熱效果，但因體積太大且笨重，

因此採此方法之廠商並不多。(b)另一種方法則採用熱傳係數較高，導熱能力較 好之材料，如此可將 LED 封裝成較小之晶粒，但至目前為止因價格較昂貴因此 還不夠普及。因此如何改善現有之技術，將散熱效果可有效提高且成本也可下 降是所有從事 LED 設計及研究之學者專家及業界最關心也是目前亟待解決之課 題。

由於藍寶石基板在導電性質和導熱性質上是較差的，這對於氮化鎵發光二 極體之製作與發光效率的提昇造成許多的困難和限制。因此，將氮化鎵元件磊 晶層從藍寶石基板剝離並轉換到具有高導電率、高熱傳導效率的基板來製作氮

有鑑於此，本研究跳脫傳統 LED 設計必須藉由大量間接輔助散熱器材才能 使熱量消散之思維，直接將 90µm 之藍寶石基板研磨拋光去除，其上的磊晶層 (EPI)仍要保持其完整性，再將將磊晶層固晶在高散熱材料如類鑚石材料，此一 結構不僅可解決藍寶石基板熱傳導不佳之問題，使 LED 所產生之熱量可以藉由 高散熱類鑚石材料快速將熱傳遞於自然界或散熱基板，此架構不但可以降低製 造成本，更可直接應用於未來高功率 LED 光源。

第二章 第二章

第二章 第二章 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧

2.1 LED 發光原理 發光原理 發光原理 發光原理

件，其發出之光波長包括了紅外光、可見光和紫外光等【10】。其結構如【圖2-1】

所示，P-N 半導體是由化學元素週期表上的IIIA族(硼族)與VA族(氮族)，或是 由IIA族(鹼土金屬)與VIA族(氧族)元素混合而成的化合物半導體，藉由兩端的 電極(亦是圖中所稱的歐姆接點)連接外部電路，P-N接面形成時，P型半導體充 滿電洞，而N型半導體則充滿電子，因為載體濃度不均勻，使得P型半導體中的 電洞往N型半導體擴散。如【圖2-2(a)】，N型半導體中的電子通往P型半導體擴 散，原來的半導體為電中性，卻因為載體濃度不均所形成的擴散運動，使得P型 半導體帶負電，N型半導體帶正電，電子與電洞進入P型N型區，產生複合，使得 電子電洞在同一時間消失，只剩下帶電的離子。如【圖2-2(b)】 所示，P型半導 體中的載子是帶負電的離子，N型半導體中的載子則是帶正電的離子。

通電時，LED之離子區會集中在接面的兩端，也稱空乏區，此區域帶電離子 會產生內建電場，使得載子產生drift(漂移運動)，其方向與擴散電子、電洞流相 反，如【圖2-2(c)】，載子不停的擴散，帶電離子持續產生，內建電場越大，漂 移電子與電洞流也會增加，直到飽和為止，所有的漂移電子、電洞流和擴散電子、

電洞流完全抵銷，總電子流與總電洞流均為零。

如【圖2-3】所示，P-N 接面施以順向電壓時，P區的電洞會往N區移動，而N區 電子則往P區移動，讓電子和電洞在空乏區附近互相結合。而電子和電洞結合過 程中會產生熱能與光能，此即為LED的工作原理【11】。

【圖2-1】】】】P-N 二極體結構示意圖【11】

(a)

(b)

(c)

【圖 2-2】】】P-N 二極體 P-N 載子移動圖示意圖【11】 】

【圖 2-3】】】LED 發光原理圖【11】 】

2.2 傳統氮化鎵 傳統氮化鎵 傳統氮化鎵 LED 傳統氮化鎵 元件之散熱路徑 元件之散熱路徑 元件之散熱路徑 元件之散熱路徑

基板(熱傳導係數~ 35 W/mK)後，熱源再向下依序傳遞至銀膠(熱傳導係數2~25 W/mK )與導熱基座（heat sink），最後再傳遞至空氣中消散掉。因此，欲降低 LED 的接面溫度，必須同時提昇晶粒本身、固晶材料、及導熱基座之熱傳特性

【表2-1】，以降低元件熱堆疊問題【12-19】。

2.3 LED 藍寶石 藍寶石 藍寶石 藍寶石基板 基板 基板 基板發光效率之提昇 發光效率之提昇 發光效率之提昇 發光效率之提昇

藍光 LED 典型以氮化鎵為主，【圖 2-4】為使用 Sapphire 為基板，由於沒有 晶格相匹配的基板可供給 GaN 生長，故先以低溫成長的氮化鋁(AlN)做為緩衝 層，使之晶格匹配，如此可在藍寶石基板上成長高品質的 GaN。而我們的主動 層(Active Layer)，即是我們藍光所產生的地方，它是介於兩個較大能隙的半導體 中間。當我們從 p 型電極通入電流後，經由透光的 p 電極均勻地散佈電流，使 充分的電子能與電洞在主動層復合過程中進而發出光，效率約為 5 lm/W，普遍 使用在手機按鍵。

【圖 2-4】為典型以氮化鎵為主的 LED【20】

1.標準結構

因為 Sapphire 為絕緣材料並不導電，因此 P、N 兩極需鍍於同側方能導電；

之後在表面再覆蓋上一層 TCL（Transparent Contact Layer）NiAu，使得電流能 夠擴散，這種結構可以長出低亮度藍光 LED，效率約為 25 lm/W，【圖 2-5】為 標準結構和 ITO top 結構和表面粗糙化結構，晶電則將 TCL 採用 ITO，使發光效 率由約 25lm/W 增加到 40lm/W，粗化後再增為 60lm/W，ITO 也成為高亮度藍光 的代表。

2. ITO top 結構

不過 NiAu 會造成遮光，晶元光電遂把 TCL 換成用銦錫氧化物 ITO (Indium Tin Oxide) )當電流傳輸層，使得發光效率提升為 180％，成為高亮度藍光 LED，

這種結構效率約為 40 lm/W，如【圖 2-5】。

3.表面粗糙化結構

之後再進一步將表面層(p-cladding)做粗化處理，主要是破壞表面全反射角使 光可以被取出來【圖 2-6】【圖 2-7】，一般而言光取出效率的損失主要來自於主 動層所發出的光大部份在 LED 內部全反射所造成。亮度可再提升 10∼20％。ITO 也成為高亮度 LED 的代表，這種結構效率約為 60 lm/W，【圖 2-5】。

【圖 2-6】表面未粗糙化【20】

【圖2-7】表面粗糙化【20】

4. 圖型化結構

由於藍寶石基板與 GaN 磊晶層的晶格常數相差許多，使得磊晶層與藍寶石 基板的介面處會產生許多的晶格缺陷與張力作用，而這些不好的現象可能導致 些許電流流經晶格缺陷處，而產生熱，而非產生光，這樣將使元件的發光效率 降低而張力作用可能使磊晶層產生龜裂。因此，可以利用蝕刻的技術讓藍寶石 基版產生一些空洞，來使部分晶格與晶格間的鏈結強度趨於平緩。如此便能使 磊晶層與藍寶石基板能更緊密的結合也能降低晶格缺陷的密度。而缺陷密度的 降低，將使更多電流平均分佈於主動層，使得載子復合機率變高，這樣將可增 加元件的發光效率 5~10%，【圖 2-8】 為圖形化藍寶石結構圖【20-25】。

【圖 2-8】為圖形化藍寶石結構圖【20】

2.4 LED 散熱材料選用 散熱材料選用 散熱材料選用 散熱材料選用

碳原子本身因鍵結的型態的不同，而形成如鑽石、石墨等不同的結晶型態，

碳所形成的鍵結分別有SP³、SP²、SP¹ 【圖2-9】，由於鍵結結構的不同，也造成 性質上極大的不同【26】。類鑽石材料在鍵結上同時含有SP³、SP² 兩種鍵結，由 於具有SP³ 鍵結，因此具有接近鑽石般的高硬度、低摩擦係數、高化學安定性優 越等性質。儘管類鑽石薄膜( Diamond-Like Carbon )簡稱DLC擁有如此優越的性 質，但是仍有一些需進一步改善的地方，如鑽石膜無法獲得厚度較大之薄膜，因 在製程上薄膜的內應力也會隨著薄膜之增厚而增大，因此附著性會變差，造成薄 膜易從基材上剝離。另外，類鑽石薄膜在400℃以上的高溫環境即會脫氫分解，

膜就會開始崩解，所以是類鑽石薄膜需克服之弱點。

【圖2-9】SP³、SP²、SP¹ 軌域型態示意圖【26】

鑽石是目前已知自然界最堅硬的物質，擁有最大的抗磨耗能力，同時又是傳 熱最快的晶體，它的導熱係數是銀的六倍、銅的七倍【表2-2】。

鑽石仍然是目前自然界中最硬的礦石，鑽石除此優點外，更有高熱傳導係 數、低膨脹係數、低摩擦係數，高化學安定性及在紫外光至紅外光穿透波段具高 穿透率等特性，因此鑽石在機械、化學、電學、光電等領域均具有極大利用價值

【27-34】。

況且如今人們已經能夠以人工方式合成鑽石，並且加以利用，加上鑽石擁有 各方面的優越性質，可謂是當今最具代表性的材料。類鑽石薄膜則是最接近天然

類鑽石材料因具有許多的優異性質，如高硬度、高化學抵抗性、良好的熱傳 導性，且絕緣性高，並具有可見光到紅外光波段的光穿透性及極佳的生物相容 性，因此常被應用在需耐磨耗、耐熱、電子、光學與生醫材料等方面之元件上。

而類鑽石薄膜之化學穩定性極佳，可以耐酸鹼，因此非常適合應用在具腐蝕性之 環境下。加上類鑽石薄膜在低溫(室溫)的環境就可以製得，不像鑽石膜須在高溫 高壓的環境下才可製造，因此在製備類鑽石膜之過程中不會因為熱變形造成模具 之損壞。

薄膜沈積技術的發展，從早期的蒸鍍( Evaporation )開始至今，已發展成為 兩個主要方向: 物理氣相沉積( Physical Vapor Deposition )與化學氣相沉積 ( Chemical Vapor Deposition )。前者主要是藉著物理現象，而後者則主要藉著化 學反應進行沈積【35】。一般而言，化學氣相沈積CVD 是利用熱能、電漿放電、

紫外光照射等形式的能源，使氣態物質在固體表面上發生化學反應，並在表面上 沈積，形成穩定固態膜。化學氣相沈積( CVD )技術是半導體積體電路製程中運 用極廣泛的薄膜成長方法，諸如：介電質、半導體、導體等薄膜材料，幾乎都能 用CVD 技術完成。

1. 化學氣相沉積法

在 1960 年代初期，美國人愛佛索（William G. Eversole）與俄國人狄亞金

（Boris V. Derjaguin）分別獨立研發出鑽石的低壓介穩合成技術。但這種鑽石合 成法在當時由於技術尚未成熟，而且高溫高壓觸媒法已經進入生產線開始量產，

因此並未受到太多的重視。一直到 1980 年以後，日本、歐洲、臺灣以及美國相 繼投入研發，到 2000 年時已有部分技術應用於工業界。這裡所稱的低壓，大約 從接近真空到 100 torrs（一大氣壓 = 760 torrs） 左右，這原本是石墨晶相的壓 力範圍，居然也可以生長出鑽石，的確有些奇特。

因為不是在鑽石的穩定壓力下培育鑽石，所以稱為介穩定合成技術。它的主 要原理是把含碳氣體如甲烷（CH4）以及氫氣通入低壓的反應室，在反應室內 CH4

碳原子，這些碳或碳氫基沉積在溫度較低（攝氏 900 度或更低）的基板上面，

基板可以是鑽石晶種、各類金屬、玻璃、矽晶片或其他材料。沉積到基板上的碳 除了形成 sp2 鍵外，也會形成 sp3 鍵，因此鑽石與石墨會同時生長在基板上。

雖然高溫氫氣裂解所產生的氫原子會侵蝕鑽石及石墨晶體，但是氫原子侵蝕 石墨的速率遠超過侵蝕鑽石的速率，或者說在氫原子環境下鑽石比石墨穩定，因 此經過一段時間的培育，基板上便長出鑽石薄膜。這種鑽石薄膜的生長速率一般 是每一小時一微米左右，厚度可以由 10 微米到一毫米。

2.

化學氣相沉積的鑽石薄膜培育技術，為人類帶來無限的發展願景，因為它不 需要巨大的壓力機械設備，原料只要含碳物質和氫氣，一臺微波爐加上簡單的低 壓裝備，便可以製造鑽石薄膜。幾年前紐約時報曾經報導家庭主婦在廚房便可以 輕易製造鑽石薄膜，前一陣子國內幾家報紙也大幅報導牛糞變鑽石。

由於鑽石的硬度居所有物質之冠，試想如果在眼鏡鏡片上面蒸鍍一層透明的 鑽石薄膜，便可擁有一副不怕刮傷磨損的超級眼鏡，永遠不需更換鏡片。同樣地，

廚房的切刀如果蒸鍍上一層鑽石薄膜，不僅可大幅增加使用效率，使用壽命也因 而得以延長。

目前實際的工業應用主要包括材料表面性質的改良，例如音響內部的振動器 鍍上鑽石薄膜後，不僅更耐用，還可以提升音質、減少聲音失真。研磨切削工業 也是受益者，一般金屬或合金切削刀具在表面鍍上鑽石薄膜後，不僅使用效率大 幅提升，也無形中增加了刀具的使用年限。

比較具革命性的工業應用之一是製造耐高溫、抗腐蝕的鑽石半導體。由於大 型積體電路的需求，使得傳統的矽晶半導體單位面積上的電子元件密度越做越 高，造成散熱不良的問題。如果用鑽石晶圓取代矽晶圓，靠著鑽石的優異傳熱效 率，散熱不良的問題便可迎刃而解【36】。

2.5 發光二極體的熱管理 發光二極體的熱管理 發光二極體的熱管理 發光二極體的熱管理

1.晶片層級(Chip level)之熱管理

要在裸晶層面增加散熱性，改變材質與幾何結構已然成為必要的手段，目 前最常用的兩種方式分別為：(1) 替換基板材料；(2) 將裸晶改採覆晶(Flip-Chip) 方式鑲嵌(mount) 【圖 2-10】。目前市場上，以旭明光電與 Cree 公司最具代表 性，採用替換基板材料方式來提升其晶片散熱能力；由於傳統式晶片皆以藍寶 石(sapphire)作為基板，其藍寶石的熱傳導係數約只有 20W/mK，不易將磊晶層 所產生的熱快速地排出至外界，因此，旭明光電與 Cree 公司分別以具高熱傳 導係數的銅合金與矽來取代藍寶石，進而提升散熱能力。在幾何結構方面，以 LumiLED 公司將裸晶改採覆晶方式為最具代表性公司，其改善晶片散熱能力 的觀念大致上與替換基板材料相同，皆欲排除藍寶石不要在熱傳導路徑上，不 同之處，只是在於幾何結構上有些許差異。另外，晶片的尺寸大小也是影響 LED 熱阻值的關鍵因素之ㄧ，晶片尺寸越大則熱阻值越小。

至於 LED 裸晶的散熱，除了以上之論述外，亦可從另一思考方向來思索，

若能將電能盡可能轉化成光能，而少轉化成熱能，便可以藉此來降低發熱。

2.封裝層級(Package level)之熱管理

近年來 LED 的亮度、功率皆積極提升，並開始用於背光與電子照明等應用 後，LED 的封裝散熱問題已悄然浮現。早期的砲彈型封裝方式的散熱路徑為，

一部分熱源往大氣方向散熱，而其餘熱源僅能透過導線往基板散熱，有鑑於 此，其封裝熱阻相當地大，達 250~350°C/W。SMD 型封裝方式的散熱型式與 砲彈型封裝截然不同，主要是藉由與基板貼合一起的塑膠底板來導熱，利用增 加散熱面積的方式來大幅降低其熱阻值。然而，SMD 型封裝方式雖可將熱阻 值降低至 75°C/W，但仍無法符合高功率 LED 的要求，於是乎，LumiLED 公 司更進ㄧ步發展出 Luxeon 型封裝方式，此一封裝方式因含有散熱塊(heat slug) 之設計【圖 2-11】，以取代低熱導係數的塑膠底板，因此，可獲得ㄧ極低的熱 阻值，使之可被應用於高工作電流下之場合，並維持不錯的壽命。

綜觀上述之結果可知，發光二極體封裝的熱阻來源，最主要來至於封裝支 架傳熱至空氣的熱阻抗，其所佔的貢獻比例最大，因熱較不易在無強制對流下 藉由熱對流從封裝支架傳至空氣中，因此常導致熱源無法順利地排出至周遭環 境而累積於二極體封裝內。為了降低封裝支架至空氣間的熱阻抗，一般在封裝 設計上皆會增加整體封裝的表面積，以增快熱傳速度而達到降低熱阻之目的。

最具代表的實際案例，如金利公司(Kenly)生產的支架，其設計理念就是利用散 熱塊(heat slug)來增加散熱表面積，使之增加散熱機會進而將支架至空氣間的熱 阻抗降低。

在封裝層面增加散熱性的另一方法為改變固晶方式。早期低功率封裝所採用 的固晶方式皆為使用銀膠(Ag epoxy)讓晶片固定於封裝支架上。然而，隨著 LED 的功率不斷提昇，銀膠的熱導係數已無法適用於高功率 LED 的要求，因此，相 關業者分別提出使用錫膏或利用共晶結合方式來達到固晶之目的，由於兩者皆 為金屬接合，因此，其熱導係數可達 57.26 W/mK 左右，遠高於銀膠的熱導係數，

所以可有效地降低由固晶層所產的熱阻。

由上述可知，發光二極體是否能迅速地將熱排出至周遭環境，取決於封裝設 計是否具有低熱阻特性。有鑑於此，評鑑發光二極體封裝的好壞，其熱阻值將 是一重要關鍵；發光二極體封裝的熱阻量測可輕易地透過界面溫度與輸入功率 (Input Power)之關係而獲得，其斜率即為熱阻值。

3. 電路板層級(Heat spreading level)之熱管理

傳統的 LED 功率並不大，散熱問題也相對地不嚴重，因此，只要運用一 般電子用的銅箔印刷電路板即足以應付，但隨著高功率 LED 越來越盛行，此 板已不足以應付散熱需求，因此，專業散熱材料製造商發展出內具金屬核心的 印刷電路板，其技術核心在於將印刷電路板貼附在一金屬板上以改善其傳熱路 徑，即所謂的 MetalCorePCB【圖 2-12】，運用底部的鋁或銅等熱傳導性較佳 的金屬來加速散熱。

【圖 2-12】MCPCB 之結構圖【38】

4. 散熱模組層級(Thermal module level)之熱管理

其實，LED 的散熱組件與 CPU 散熱相似，都是由散熱鰭片、熱管及熱介 面材料所組成。不同之處，在於 LED 的散熱只能憑藉空氣自然對流來傳遞熱 量。有鑑於此，有此一限制存在，不得不思考如何減短熱傳導路徑以達成降低 界面溫度之目的。

隨著 LED 朝高功率及多晶片封裝的發展來看，LED 的散熱問題，必須從 構裝材料、基板材料選用到照明系統散熱來強化 LED 產品的散熱能力。要解 決電子與光電元件所面臨的散熱問題，散熱材料本身的熱傳特性是一重要指 標，材料的擴散熱阻與熱傳導率係成反比關係，亦即熱傳導率愈高其擴散熱阻 愈低，散熱能力愈強。一般常用的散熱材料不外乎鋁、銅等熱傳導率不錯的材 料(180 W/mK, 380 W/mK)，但這種材料系統之熱膨脹係數偏高(17~23 ppm/K) 且銅的比重過高(8.9 g/cc)，而單晶鑽石雖熱傳導率極佳(2000 W/mK)，為突破 單一金屬材料所無法達到的熱物性質（熱傳導、熱膨脹及密度），近年來世界 各國無不投入高導熱材料開發，包括高導熱石墨、碳化矽顆粒強化複合材料、

碳纖維強化複合材料、石墨強化複合材料、鑽石顆粒強化複合材料等。

LED 的能量轉換中，約有 20％的能量以可見光的形式釋出，另外 80％則 轉變成熱，所產生的熱，造成晶片的接面溫度（junction temperature）升高，使 得元件的光輸出（light output）降低、壽命減短、發光波長也會有些微的改變，

若能將介面溫度降低 10℃，則能使元件壽命增加 1.9 倍，除此之外，如何將所 產生的熱引導至元件外部而不使它累積在元件內部也是很重要的，從 LED 的 封裝結構來看，可分為 LED Chip、Die attach material、Substrate and heat sink、

Mounting material 及 Metal Core Board 所組成，每個部分都有其熱阻抗，元件 整體的熱阻值為個別熱阻值的加總，可視為串聯的關係【圖 2-13】，若能將構 裝的結構精簡，勢必可使其熱阻值降低，在未來的構裝設計中，擬移除 Mounting material 及 Metal core board，這樣不但可減低熱阻抗，同時也可降低生產成本。

【圖 2-13】現今熱管理常用之設計【38】

2.6 熱阻的定義 熱阻的定義 熱阻的定義 熱阻的定義

介質，在介質兩側所產生之溫差，除以發熱瓦數，即可求出熱阻值，熱阻的定義 就類似電阻一樣)來判斷散熱效率的好壞，在 LED 散熱設計時，需降低 LED 整 體封裝熱阻值，以確保元件穩定。

熱阻值用於評估電子封裝的散熱效能，是熱傳設計中一個相當重要的參數。

熱阻，實質則隱含了熱傳導與熱對流與熱輻射，精確的熱阻是個難以估算的數 字，理由在於它是一個多變數的函數，諸如外界溫度、接面溫度、使用功率、板 溫、散熱板大小及配置都有影響。假設理想的對流及理想輻射傳導下，一般熱阻 可由電阻類比式來估算。熱阻值如果越大，表示熱不容易傳遞，散熱能力就越差，

元件所產生的溫度就比較高；反之，熱阻值越小，則散熱能力就越好。熱阻定義 如下:

Rth=(Tj－Ta)/Q=(Tj－Ta)/ If－Vf 其中，

Rja:散熱系統的系統熱阻(Cooling system thermal resistance，°C/W) Tj :LED 接面溫度(Junction Temperature，°C)

Q : LED 之消耗功率(Power Dissipation，W)

熱阻值一般常用θ或是 R 表示，其中 Tj 為接面位置的溫度，Ta 為外界環境 溫度，Q 為輸入的發熱功率。熱阻值可以判斷及預測組件的發熱狀況【47-48】。

第 第 第

第三章 三章 三章 三章 實驗設備與實驗步驟 實驗設備與實驗步驟 實驗設備與實驗步驟 實驗設備與實驗步驟

本章節在陳述從基板研磨和固晶及量測接面溫度等三種步驟的過程。

本研究主要是將 LED 之 90µm 藍寶石基板研磨去除，其上的磊晶層(EPI) 仍要保持其完整性，再將磊晶層固晶在矽襯底及類鑽石膜做接面溫度及熱阻的 比較，找出較好的散熱結構。【圖 3-1】為實驗流程圖。

【圖 3-1】實驗流程圖

首先把結構大致分為一般 LED 和去除藍寶石基板之 LED：

1.將 LED 固晶在石墨或類鑽石膜散熱材，承載於不同 heat sink，觀察 LED 在不同散熱材之條件下之散熱狀況。由於此部分不用將 LED 之 90µm 藍寶石基 板研磨去除，因而只需兩種步驟。第一部份則是將 LED 利用銀膠固晶在石墨或 類鑽石膜散熱材上，第二部分，量測接面溫度及熱阻並比較。

2.將 LED 之 90µm 藍寶石基板研磨去除，其上的磊晶層(EPI)仍保持其完整 性，再將磊晶層固晶在類鑽石膜或矽散熱材上，承載於相同 heat sink，觀察其散 熱狀況為本研究之重點，而藍寶石的研磨去除是此研究的關鍵過程。

由於此部分需將 LED 之 90µm 藍寶石基板研磨去除，因此需三個步驟第一 部份是將 90µm 之藍寶石基板研磨去除，其上的磊晶層(EPI)仍要保持其完整 性，第二部分，則是將磊晶層利用銀膠固晶在類鑽石膜及矽襯底上，最後第三 部分，量測接面溫度及熱阻並比較。

最後將以上的結構，作接面溫度及熱阻比較，如此可找到最佳的散熱組合。

3.1 去除藍寶石 去除藍寶石 去除藍寶石基板 去除藍寶石 基板 基板的 基板 的 的研磨 的 研磨 研磨 研磨製作 製作 製作 製作 3.1.1 製作設備 製作設備 製作設備 製作設備

本實驗中所採用的實驗設備如下：（1）LED晶粒，由晶電提供的高功率LED，

已完成電極製作，1mm×1mm×100µm【圖3-2】；（2）AB膠；（3）研磨拋光機

【圖3-3】；（4）600號及1000號及2000號研磨紙【圖3-4】

【圖3-2】LED晶粒

【圖 3-4】研磨紙

3.1.2 研磨 研磨 研磨的過程 研磨 的過程 的過程 的過程

基板研磨製作步驟如下:

A. 將 LED 藍寶石基板基板朝上 LED 磊晶層此面黏附於雙手可抓取治具上，將 研磨治具放置研磨拋光機上先用 600 號砂紙做研磨拋光，直到厚度至 60µm 時，再將砂紙換成 1000 號做研磨，直到厚度至 40µm。再將砂紙換成 2000 號做研磨，直到厚度至 28.27µm。這一階段的研磨是為去除藍寶石基板【圖 3-5】。

B. 每用一種號數的砂紙研磨 10 到 20 分鐘要放置顯微鏡下測量剩餘厚度及觀察 LED 外觀是否完整【圖 3-6】【圖 3-7】。

C. 此部份應注意研磨拋光機其轉速要慢，在能以手握住治具為原則以及研磨時 間的控制和研磨厚度以及手握治具的穩定性，才能達到最佳的成效【圖 3-8】

【圖 3-9】。

【圖 3-8】EPI no sapphire SEM 【圖 3-9】EPI no sapphire SEM 剩餘厚度圖

3.2 固晶及去銀膠 固晶及去銀膠 固晶及去銀膠的製作 固晶及去銀膠 的製作 的製作 的製作 3.2.1 製作設備 製作設備 製作設備 製作設備

本實驗中所採用的實驗設備如下：（1）銀膠(CT285081120)做為固晶之用；

（2）矽襯墊；（3）鋁箔片及散熱座；（4）銅承載板；（5）類鑽石膜，由中 國砂輪提供【表 3-1】；（6）石墨紙，由高柏科技提供【表 3-2】；（7）去銀 膠溶液(DYNASOLVE711) ；（8）加熱器【圖 3-10】。

3.2.2 固晶及去銀膠 固晶及去銀膠 固晶及去銀膠的 固晶及去銀膠 的 的 的過程 過程 過程 過程： ： ： ：

固晶於其它散熱基板步驟如下:

一、銀膠固晶

首先將將已去除藍寶石基板之 LED，其上的磊晶層以純水清洗，並吹乾，

或一般 LED 用銀膠固晶於其它散熱材，承載於 heat sink【圖 3-11】【圖 3-12】

【圖 3-13】【圖 3-14】。

光電元件的封裝方式大多是 To-can 型式，圓柱型封裝(TO-CAN Package) 已經廣泛應用在發光二極體。Au-To其表面處理鍍金，亦可使用各種材料（鎳、

金、銀）進行電鍍加工，也可根據需要塗覆其它金屬層。

【圖 3-11】To-can(Au-To)外觀圖

【圖 3-12】LED 固晶在類鑽石承載於 Au-To

【圖 3-13】EPI 固晶類鑽石膜承載於 Cu plate 遠觀圖

【圖 3-14】EPI 固晶類鑽石膜承載於 Cu plate 近觀圖 二、去銀膠

當需更換其它散熱材時，需以去銀膠溶液加熱至 295°C 至 300°C【圖 3-10】。

3.3 固晶完點亮檢測 固晶完點亮檢測 固晶完點亮檢測 固晶完點亮檢測

固晶完之試片需作點亮測試才知研磨完之 LED 晶片或固晶完之試片是否功 能正常（請許政義學長至晶電檢測）【圖 3-15】【圖 3-16】。

3.4 接面溫度的量測 接面溫度的量測 接面溫度的量測 接面溫度的量測

在研磨及固晶後之試片，在相同的功率下接面溫度與熱阻的差異，作為散 熱效益的比較（請許政義學長至晶電檢測）。

3.4.1 接面溫度量測儀器 接面溫度量測儀器 接面溫度量測儀器 接面溫度量測儀器

1. 將待測物銜接於“Reference” 及 “Test”連接線上【圖 3-18】。

【圖 3-18】將待測物銜接於“Reference” 及 “Test”連接線上 2. I/O 電源開關“ON”。

3. Current(mA)歸零→調整“Current Adjust” 。

4.第 3 步驟後，將銜接於“Test”連接線上之待測物放置於 70°C 烘箱內，待烘箱 之溫度與 Temp Rise(°C)之數值穩定後調整增益旋轉鈕“Gain”至 Temp Rise(°C) 畫面顯示所需數值即可。Gain=烘箱溫度(70°C)-室溫【圖 3-19】。

【圖 3-19】】】烘烤箱 】

5. 烘箱內之 TO-CAN 取出放置於室溫，觀察 Temp Rise 數值是否歸零，待歸零 即可開始量測【圖 3-20】。

【圖 3-20】Temp Rise 數值歸零

6.將 Current(mA)調整至 20mA，執行開關切換至 Run，待 Temp Rise(°C)之數值 穩定，即可記錄其 mA、°C、V 於 Junction Temperature Test，並計算出 TR 值。

TR=°C/mA/V*1000

7.將 Current(mA)調整至不同電流，執行開關切換至 Run，待 Temp Rise(°C)之數 值穩定，即可記錄其 mA、°C、V 於 Junction Temperature Test，並計算出 TR 值。

第四章 第四章

第四章 第四章 實驗結果與討論 實驗結果與討論 實驗結果與討論 實驗結果與討論

本章節將就實驗的結果分成兩部份，首先第一部份從LED固晶在石墨或類鑽 石膜散熱材承載於不同散熱板，比較接面溫度和熱阻及散熱材與heat sink之熱傳 導係數。

第二部份再與去除藍寶石基板之LED，其磊晶層(EPI)固晶在類鑽石膜或矽 散熱材上，承載於相同heat sink，比較接面溫度和熱阻。

但由於LED所使用之藍寶石基板之材料特性，所以雖使用石墨或類鑽石膜作 為散熱板，但對於整體LED之散熱效果並無明顯之效果，因此將藍寶石基板去 除，直接將磊晶層與散熱板接觸為LED散熱效果之關鍵，也是本研究之重點。

將LED磊晶層此面黏附於雙手可抓取治具上，將研磨治具放置研磨拋光機上 先用600號砂紙做研磨，直到厚度至60µm時，再將砂紙換成1000號做研磨，直到 厚度至40µm。再將砂紙換成2000號做研磨，以將藍寶石基板去除為原則。

當黏附於治具上時，需稍微加壓以增加其附著性，以避免在研磨時脫落分 離，且要將黏著劑完全覆蓋試片及其四周，待靜置一天後再開始研磨。還有要 多黏附幾組要研磨的試片，以增加研磨的成功率。

在將砂紙換成1000號做研磨，直到厚度至40µm時，由於此時已快完全去除 藍寶石基板，可先暫時放置一旁，而去研磨其他尚未研磨的試片，直到研磨到 砂紙換成1000號，厚度至40µm時。要把研磨到厚度40µm試片多研磨幾組放置，

再進行去除藍寶石基板的最後研磨階段，如此更可提高成功率。

在每用一種號數的砂紙研磨10到20分鐘要放置顯微鏡下測量剩餘厚度及觀 察LED外觀是否完整，此部份應注意研磨拋光機其轉速要慢，在能以手握住治具 為原則以及研磨時間的控制和研磨厚度以及手握治具的穩定性，才能達到最佳 的成效。

實驗結果第一部份比較討論如下:

4.1 LED承載於 承載於 承載於 承載於Au-To散熱板 散熱板 散熱板 散熱板之 之 之比較 之 比較 比較討論 比較 討論 討論 討論

1.此部份結構組成如下：

(1) LED/Heat sink:Au-To

【圖4-1】LED/Heat sink:Au-To示意圖 (2)LED+DLC/Heat sink:Au-To

【圖4-2】LED+DLC/Heat sink:Au-To示意圖 (3)LED+Graphite/Heat sink:Au-To

【圖4-3】LED+Graphite/Heat sink:Au-To示意圖

2.此部份量測結果如下：

【表4-1】LED承載於Au-To接面溫度及熱阻量測表

【圖4-4】LED承載於Au-To熱阻及接面溫度直條圖

由【表4-1】【圖4-4】知LED直接承載於Au-To之接面溫度量測平均溫度為 144.3°C，但LED固晶在類鑽石膜散熱材承載於Au-To之接面溫度量測平均溫度在 140.2°C，因為類鑽石熱傳導係數=1200~1800W/mk，故接面溫度較低。但這兩種 結構對散熱無明顯效果。LED固晶在石墨承載於Au-To之接面溫度量測平均溫度 為170.7°C，因為石墨熱傳導係數Z(垂直)=5W/mk，故散熱效果最差。因此得知 在輸入功率1W以下，LED不管固晶在石墨或類鑽石膜散熱材只要承載於Au-To 之接面溫度量測平均溫度皆在140°C以上，熱阻值在413.7~574.2°C/W之間，可見

4.2 LED承載於 承載於 承載於 承載於Cu plate散熱板 散熱板 散熱板之 散熱板 之 之比較 之 比較 比較討論 比較 討論 討論 討論

1.此部份結構組成如下：

(1)LED/Heat sink:Cu plate

【圖4-5】LED/Heat sink:Cu plate示意圖 (2)LED+DLC/Heat sink: Cu plate

【圖4-6】LED+DLC /Heat sink:Cu plate示意圖

(3)LED+Graphite/Heat sink: Cu plate

【圖4-7】LED+ Graphite /Heat sink:Cu plate示意圖

2.此部份量測結果如下：

【圖4-8】LED承載於Cu plate熱阻及接面溫度直條圖

由【表4-2】【圖4-8】知LED固晶在類鑽石膜散熱材承載於Cu plate之接面溫 度量測平均溫度在43.9°C，因為類鑽石熱傳導係數=1200~1800W/mk，故接面溫 度較低，熱阻值亦較低。LED直接承載於Cu plate之接面溫度量測平均溫度為 49.5°C ，因為Cu熱傳導係數=401W/mk，故接面溫度稍高。LED固晶在石墨承載 於 Cu plate 之 接 面 溫 度 量 測 平 均 溫 度 為 64.8°C ， 因 為 石 墨 熱 傳 導 係 數 Z(垂 直)=5W/mk，故散熱效果最差。因此得知在輸入功率1W及1.5W時，LED固晶類

4.3 LED承載於 承載於 承載於 承載於Au-To及 及 及 及Cu plate散熱板 散熱板 散熱板之 散熱板 之 之比較 之 比較 比較討論 比較 討論 討論 討論

此部份量測結果如下：

【表4-3】LED承載於Au-To及Cu plate接面溫度及熱阻量測表

【圖4-9】LED承載於Au-To及Cu plate熱阻及接面溫度直條圖

由【表4-3】【圖4-9】在輸入功率1W以下，不管LED固晶在石墨或類鑽石 膜散熱材只要承載於Au-To之接面溫度量測平均溫度皆在140°C以上，可見Au-To 此結構散熱效果不好。在改用Cu plate後，且輸入功率在1W及1.5W時，由於Cu

plate熱傳導係數較Au-To高，故接面溫度平均溫度下降至65°C以下，熱阻值亦降 至 34°C/W 以 下 。 其 中 LED 固 晶 在 石 墨 時 ， 由 於 石 墨 石 墨 熱 傳 導 係 數 Z(垂 直)=5W/mk較小，因此不管承載於Au-To或Cu plate散熱效果皆不好，故接面溫度 及熱阻值皆較高。因而得知Cu plate比Au-To散熱效果好且類鑽石膜之熱傳導係數 較其它散熱材高，故以LED固晶類鑽石膜散熱材承載於Cu plate此結構散熱效果 最好。

4.4 LED承載於 承載於 承載於 承載於Al plate之 之 之 之比較 比較 比較 比較討論 討論 討論 討論

1.此部份結構組成如下：

(1)LED/Heat sink:Al plate

【圖4-10】LED/Heat sink:Al plate示意圖 (2)LED+DLC/Heat sink: Al plate

【圖4-11】LED+DLC /Heat sink:Al plate示意圖

2.此部份量測結果如下：

【表4-4】LED承載於Al plate接面溫度及熱阻量測表

【圖4-12】LED承載於Al plate熱阻及接面溫度直條圖

由【表4-4】【圖4-12】在輸入功率1W時，知LED固晶在類鑽石膜散熱材承 載於Al plate之接面溫度量測平均溫度在103.9°C，熱阻值在70.08~71.2°C/W之 間。LED直接承載於Al plate之接面溫度量測平均溫度為109.5°C ，熱阻值在 73.29°C/W，可見此結構散熱效果不好。再由其熱傳導係數去探討，類鑽石熱傳 導係數=1200~1800W/mk，Al熱傳導係數=237W/mk，這兩個熱傳導係數差了七 倍多，當熱傳導係數相差太大時，其散熱效果不好。所以要找散熱材彼此間的 熱傳導係數不能相差太大，以增加散熱效果。

4.5 LED承載於 承載於 承載於 承載於Al plate+ ++ +散熱座 散熱座 散熱座之 散熱座 之 之比較 之 比較 比較討論 比較 討論 討論 討論

1.此部份結構組成如下：

(1)LED/Heat sink: Al plate+散熱座

【圖4-13】LED /Heat sink:Al plate+散熱座示意圖

(2)LED+DLC/Heat sink: Al plate+散熱座

【圖4-14】LED+DLC /Heat sink:Al plate+散熱座示意圖 2.此部份量測結果如下：

【表4-5】LED承載於Al plate+散熱座接面溫度及熱阻量測表

【圖4-15】LED承載於Al plate+散熱座熱阻及接面溫度直條圖

由【表4-5】【圖4-15】在輸入功率1W時，知LED固晶在類鑽石膜散熱材承 載 於 Al plate+ 散 熱 座 之 接 面 溫 度 量 測 平 均 溫 度 在 58.2°C ， 熱 阻 值 在 29.66~30.35°C/W之間。LED直接承載於Al plate+散熱座之接面溫度量測平均溫 度為62.7°C，熱阻值在33.69C/W，可見此兩個結構雖加上散熱座，散熱效果相差 不大。但類鑽石膜之熱傳導係數較其它散熱材高此兩個結構仍以LED固晶在類鑽 石膜散熱材承載於Al plate+散熱座，散熱效果較好。

4.6 LED承載於 承載於 承載於 承載於Al plate及 及 及 及Al plate+ ++ +散熱座之 散熱座之 散熱座之 散熱座之比較 比較 比較 比較討論 討論 討論 討論

此部份量測結果如下：

【表4-6】LED承載於Al plate及Al plate+散熱座接面溫度及熱阻量測表

【圖4-16】LED承載於Al plate及Al plate+散熱座熱阻及接面溫度直條圖 由【表4-6】【圖4-16】在輸入功率1W時，不管LED固晶在類鑽石膜散熱材 承載於Al plate或直接承載於Al plate接面溫度量測平均溫度皆在103°C以上，可見 此 結 構 散 熱 效 果 不 好 。 再 由 其 熱 傳 導 係 數 去 探 討 ， 類 鑽 石 熱 傳 導 係 數

=1200~1800W/mk，Al熱傳導係數=237W/mk，這兩個熱傳導係數差了七倍多，

當熱傳導係數相差太大時，其散熱效果不好。在改用Al plate+散熱座後，接面溫 度平均溫度下降至63°C以下，熱阻值亦降至31°C/W以下。可見承載於Al plate+

散熱座較Al plate散熱效果好。但由於類鑽石膜之熱傳導係數較高，因此以LED 固晶類鑽石膜散熱材承載於Al plate+散熱座此結構散熱效果最好。

4.7 LED承載於 承載於 承載於 承載於不同散熱材 不同散熱材 不同散熱材 不同散熱材之 之 之比較 之 比較 比較討論 比較 討論 討論 討論

此部份量測結果如下：

【表4-7】LED承載於不同散熱材接面溫度及熱阻量測表

由【表4-7】【圖4-17】在輸入功率1W以下，LED直接承載於Au-To之接面 溫度量測平均溫度144.3°C，熱阻值在431.8~446.7°C/W之間，可見在低功率下接 面溫度及熱阻值都偏高。為改善此一現象，將增加熱傳導較佳之散熱材-類鑽 石，類鑽石熱傳導係數=1200~1800W/mk，於是把LED固晶在類鑽石膜散熱材承 載於Au-To之接面溫度量測平均溫度在140.2°C，熱阻值在413.7~435.5°C/W之 間，雖接面溫度及熱阻值都有微降，但對於散熱效果無明顯改變。由於碳原子 本身因鍵結的型態的不同，而形成如鑽石、石墨等不同的結晶型態，於是把LED 固晶在石墨散熱材承載於Au-To之接面溫度量測平均溫度皆在170.7°C以上，熱阻 值在505.5~574.2°C/W之間，由於石墨熱傳導係數Z(垂直)=5W/mk，因此無法把 溫度降低，反而比LED直接承載於Au-To之散熱效果差，但亦相差不大。由此得 知LED不管固晶在石墨或類鑽石膜散熱材只要承載於Au-To之接面溫度量測平 均溫度皆在140°C以上，熱阻值在413.7~574.2°C/W之間，可見Au-To此結構散熱 效果不好。

於是更換承載板為Cu plate，在輸入功率1W及1.5W時，LED直接承載於Cu plate之接面溫度量測平均溫度49.5°C，熱阻值在21.69~24.25°C/W之間，可見在 高功率下用Cu plate承載，接面溫度及熱阻值都有明顯之下降，乃是因為Cu熱傳 導係數=401W/mk較高，故Cu plate散熱效果較Au-To佳。為讓散熱效果更好，於 是把LED固晶在類鑽石膜散熱材承載於Cu plate之接面溫度量測平均溫度在 43.8°C，熱阻值在17.27~19.70°C/W之間，雖接面溫度及熱阻值都有微降，但對 於散熱效果無明顯改變。於是再把LED固晶在石墨散熱材承載於Cu plate之接面 溫度量測平均溫度皆在64.8°C以上，熱阻值在33.44~33.96°C/W之間，由於石墨 熱傳導係數Z(垂直)=5W/mk，因此無法把溫度降低，反而比LED直接承載於Cu plate之散熱效果差，但亦相差不大。由此得知類鑽石膜散熱材較石墨散熱效果 佳，承載板散熱效果以Cu plate較Au-To佳。

接著再更換承載板為Al plate，在輸入功率1W時，LED直接承載於Al plate

plate承載，接面溫度及熱阻值都偏高。為讓散熱效果更好，於是把LED固晶在類 鑽石膜散熱材承載於Al plate之接面溫度量測平均溫度在103.9°C，熱阻值在 70.08~71.20°C/W之間，雖接面溫度及熱阻值都有微降，但對於散熱效果無明顯 改變。

這與在輸入功率1W以下，LED固晶在類鑽石膜散熱材承載於Au-To之接面溫 度量測平均溫度在140.2°C，熱阻值在413.7~435.5°C/W之間，散熱狀況有點相 似，但其是在低功率下，用熱傳導係數高的類鑽石膜當散熱材，接面溫度及熱 阻值都偏高。而LED固晶在類鑽石膜散熱材承載於Al plate是在輸入高功率時，

其接面溫度量測平均溫度在103.9°C，熱阻值在70.08~71.20°C/W之間。兩相比較 下LED固晶在類鑽石膜散熱材承載於Al plate之接面溫度及熱阻值皆較低，因此 若在低功率下，將LED固晶在類鑽石膜散熱材而將Au-To改為Al plate承載時，相 信對散熱有明顯之效果。

為何在高功率時，LED固晶在類鑽石膜散熱材承載於Al plate或直接承載於 Al plate接面溫度量測平均溫度皆在103°C以上，相較兩結構散熱效果不明顯。由 其熱傳導係數去探討，類鑽石熱傳導係數=1200~1800W/mk，Al熱傳導係數

=237W/mk，這兩個熱傳導係數差了七倍多，當熱傳導係數相差太大時，其散熱 效果就不好。

由於LED承載於Al plate散熱效果不明顯，因此再加個散熱座，在輸入功率 1W時，LED直接承載於Al plate+散熱座之接面溫度量測平均溫度為62.7°C，熱阻 值在33.69C/W。為讓散熱效果更好，於是把LED固晶在類鑽石膜散熱材承載於 Al plate+散熱座之接面溫度量測平均溫度在58.2°C，熱阻值在29.66~30.35°C/W之 間。相較於LED只承載於Al plate，其散熱有明顯之效果。

實驗結果第二部份比較討論如下:

4.8 輸入功率 輸入功率 輸入功率1W時 輸入功率 時 時 時， ， ， ，LED及 及 及LED EPI承載於 及 承載於 承載於 承載於Cu plate 散熱材

散熱材 散熱材

散熱材之比較討論 之比較討論 之比較討論 之比較討論

(A)LED/Heat sink: Cu plate

【圖4-18】LED/Heat sink:Cu plate示意圖 (B)LED+DLC/Heat sink: Cu plate

【圖4-19】LED+DLC /Heat sink:Cu plate示意圖 (C) LED EPI +Silicon/Heat sink: Cu plate

(D)LED EPI + DLC/Heat sink: Cu plate

【圖4-21】LED EPI +DLC /Heat sink:Cu plate示意圖 2.此部份量測結果如下：

【表4-8】輸入功率1W時，LED及LED EPI承載於Cu plate接面溫度及熱阻量測表

【圖4-22】輸入功率1W時，LED及LED EPI承載於Cu plate熱阻及接面溫度直條

由【表4-8】【圖4-22】在輸入功率1W時，LED直接承載於Cu plate之接面溫 度量測平均溫度47.8°C，熱阻值在24.25°C/W。

為讓散熱效果更好，將增加熱傳導較佳之散熱材-類鑽石，由於類鑽石熱傳 導係數=1200~1800W/mk，於是把LED固晶在類鑽石膜散熱材承載於Cu plate之接 面溫度量測平均溫度在42.3°C，熱阻值在19.7°C/W。與LED直接承載於Cu plate 之接面溫度量測平均溫度及熱阻值比較，雖接面溫度及熱阻值都有微降，但對 於散熱效果無明顯改變。

為讓散熱效果有明顯變化，因此將LED藍寶石基板去除，直接將磊晶層(EPI) 與散熱材接觸，看是否有較明顯的變化，於是把磊晶層(EPI)固晶在Silicon散熱 材承載於Cu plate之接面溫度量測平均溫度皆在40.9°C，熱阻值在17.1°C/W，由 於Si熱傳導係數=80~150W/mk，而藍寶石的熱傳導係數=35~40W/mk，故與LED 直接承載於Cu plate之接面溫度量測平均溫度及熱阻值比較，接面溫度及熱阻值 已有較明顯下降趨勢。

為讓散熱效果有更明顯下降趨勢，增加熱傳導較佳之散熱材-類鑽石，於是 將藍寶石基板去除後的磊晶層(EPI) 固晶在類鑽石膜散熱材承載於Cu plate之接 面溫度量測平均溫度在40.2°C，熱阻值在16.6°C/W。由於類鑽石熱傳導係數

=1200~1800W/mk，而藍寶石的熱傳導係數=35~40W/mk，故與LED直接承載於 Cu plate之接面溫度量測平均溫度及熱阻值比較，接面溫度及熱阻值有很明顯下 降趨勢。

在輸入功率1W時，結構A：LED直接承載於Cu plate，結構B：LED固晶在 類鑽石膜散熱材承載於Cu plate，結構C：將LED藍寶石基板去除，直接將磊晶層 (EPI)固晶在Silicon散熱材承載於Cu plate，結構D：將LED藍寶石基板去除，直 接將磊晶層(EPI)固晶在類鑽石膜散熱材承載於Cu plate。從結構A到結構D，由

【圖4-22】知接面溫度量測平均溫度成線性下降，可見Silicon及類鑽石膜散熱材 對LED之散熱有一定的效能，但再將LED藍寶石基板去除後，反而使LED之散熱

4.9 輸 入 功 率 輸 入功 率 輸 入功 率 輸 入功 率 1.5W 時 時 時 時 ， ， ， LED及 ， 及 及 及 LED EPI 承載於 承載 於 承載 於 承載 於 Cu plate散熱材 散熱材 散熱材 散熱材之比較討論 之比較討論 之比較討論 之比較討論

(A)LED/Heat sink: Cu plate

【圖4-23】LED/Heat sink:Cu plate示意圖 (B)LED+DLC/Heat sink: Cu plate

【圖4-24】LED+DLC /Heat sink:Cu plate示意圖 (C) LED EPI +Silicon/Heat sink: Cu plate

【圖4-25】LED EPI +Silicon /Heat sink:Cu plate示意圖

(D)LED EPI + DLC/Heat sink: Cu plate

【圖4-26】LED EPI +DLC /Heat sink:Cu plate示意圖 2.此部份量測結果如下：

【表4-9】輸入功率1.5W時，LED及LED EPI承載於Cu plate接面溫度及熱阻量測 表

【圖4-27】輸入功率1.5W時，LED及LED EPI承載於Cu plate熱阻及接面溫度直