氧化鋁及硅作為LED封裝基板材料的熱阻比較分析

1、氧化鋁及硅作為LED封裝基板材料的熱阻比較分析高功率LED散熱一直是一個難題，困擾著LED技術(shù)人員，圖1為目前高功率LED封裝使用的結(jié)構(gòu)，LED芯片會先封裝在導(dǎo)熱基板上，再打金線及封膠，這LED封裝結(jié)構(gòu)體具備輕巧，高熱導(dǎo)及電路簡單等優(yōu)點，可應(yīng)用在戶外及室內(nèi)照明?；宓倪x擇中，氧化鋁 （Al2O3） 及硅 （Si） 都是目前市面上已在應(yīng)用的材料，其中氧化鋁基板因是絕緣體，必須有傳導(dǎo)熱設(shè)計，藉由電鍍增厚銅層達75um;而硅是優(yōu)良導(dǎo)熱體，但絕緣性不良，必須在表面做絕緣處理。  圖1、LED封裝結(jié)構(gòu)氧化鋁基板及硅基板目前皆已應(yīng)用于高功率LED的封裝，由于LED發(fā)光效率仍有待提升，熱

2、仍是使用LED燈具上必須解決的重要問題，因此LED導(dǎo)熱功能必須仔細分析。要分析導(dǎo)熱功能必須使用熱阻儀來量測，以下的分析將細分LED封裝體結(jié)構(gòu)，包括芯片層，接合層及基板層，來分析每層熱阻，分析工具則是目前世界公認(rèn)最精確的T3Ster儀器。本文將簡單解析氧化鋁基板及硅基LED板封裝在熱阻的表現(xiàn) （T3Ster儀器實測），其中專有名詞定義如下：Rth: 熱阻，單位是 （oC/W），公式為T / KA;T: 導(dǎo)熱基板的厚度 （um）；K: 導(dǎo)熱基板的導(dǎo)熱系數(shù) （W/mC）；A: 導(dǎo)熱面積 （mm x mm）。   圖2、E公司氧化鋁基板的LED封裝熱阻分析 將氧化鋁應(yīng)用在

3、LED封裝主要是因為氧化鋁材料高絕緣性及可制作輕小的組件，然而，氧化鋁基板應(yīng)用在電子組件，會因為氧化鋁材料導(dǎo)熱系數(shù)低（約20K/W），造成高熱阻。圖2為T3Ster 熱阻儀測試E公司氧化鋁基板封裝LED（ LED area: 1 x 1 mm; LED emitter: 3.15x3.5 mm） 的結(jié)果，在25 oC環(huán)境溫度下測試時，各封裝層的熱阻如下：1、Chip: 2 oC/W2、Bonding layer : 3 oC/W3、氧化鋁基板： 20 oC/W （高熱阻， 基板制作不佳）當(dāng)175mA小電流通入在1 x 1 mm²的LED芯片上，氧化鋁基板因熱阻的溫升為10.5oC（=

4、20x175mAx3.0V）， 熱不易傳導(dǎo)出LED芯片；當(dāng)350mA電流通入在1 x 1 mm²的LED芯片上， 氧化鋁基板因熱阻的溫升為23oC（=20 x 350mAx3.3 V），此時氧化鋁基板會無法將熱傳導(dǎo)出LED芯片，LED芯片會產(chǎn)生大量光衰； 而當(dāng)500 mA大電流通入在1 x 1 mm²的LED芯片上時，氧化鋁基板因熱阻的溫升大約為36 oC（20 x （500 Ax3.6 V），此時氧化鋁基板也會無法將熱傳導(dǎo)出LED芯片，LED芯片會快速光衰。因此，LED芯片封裝若選擇氧化鋁基板，因其熱阻高，封裝組件只適合使用在低功率（ 175 mA, 約0.5W）。

5、60;  圖3、R公司氧化鋁基板的LED封裝熱阻分析 圖3為T3Ster 熱阻儀測試氧化鋁基板封裝LED（ LED area: 1 x 1 mm; LED emitter: 3.15x3.5 mm） 的結(jié)果，在25 oC環(huán)境溫度下測試時，各封裝層的熱阻如下：1、Chip : 2 oC/W2、Bonding layer : 1.5 oC/W3、氧化鋁基板 : 4.7 oC/W （氧化鋁基板厚度： 400um, 銅層厚度75um）當(dāng)175mA小電流通入下，其基板因熱阻溫升為4.7 oC; 當(dāng)電流來到 350mA,基板溫升為6.9 oC,當(dāng)500mA電流通入時，基板溫升

6、大約為8.1oC, 及當(dāng)700mA大電流通入下，基板因熱阻溫升大約為11oC.當(dāng)氧化鋁基板溫升大于8 o C, 此時氧化鋁基板會不易將熱傳導(dǎo)出LED芯片，LED芯片會快速光衰。 LED芯片封裝在氧化鋁基板，封裝組件只適合始使用功率 （ 350mA, 約 1watt）。   圖4、VisEra硅基板LED封裝熱阻分析 應(yīng)用以硅為導(dǎo)熱基板的LED封裝，如圖4所示，在3.37 x3.37 mxm2 的小尺寸面積上，具有快速導(dǎo)熱的性能， 可大幅解決因為使用氧化鋁造成的高熱阻問題。以精密的量測熱阻設(shè)備 （T3Ster）量測到的熱阻值，在25 oC環(huán)境溫度下測試時，

7、各封裝層的熱阻如下：1、Chip: 1 oC/W2、Bonding layer: 1.5 o C/W3、Si substrate: 2.5 o C/W當(dāng)大電流 （700 mA） 通入在1 x 1 mm² 的LED芯片上， 硅基板因熱阻的溫升為 6. 3 oC （=2.5 x 700mA x 3.6 V），硅基板會快速將熱傳導(dǎo)出LED芯片，LED芯片只會有小量光衰。硅藉由優(yōu)良導(dǎo)熱性能將熱傳導(dǎo)出LED芯片，LED芯片會只會有小許光衰。因此，LED芯片封裝在硅基板上適合于大功率使用（ 700 mA,約 3 W）。因為硅基板制作及LED封裝在硅基板，技術(shù)難度非常高，目前只有少許公司具備。硅作為LED集成封裝基板材料的熱阻低于氧化鋁基板材料， 應(yīng)