氧化鋁及硅LED集成封裝基板材料的熱阻比較分析

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(diǎn)，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(dá)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(xì)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(xì)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(℃/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(mmxmm)。

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(LEDarea:1x1mm;LEDemitter:3.15x3.5mm))的結(jié)果，在25℃環(huán)境溫度下測試時，各封裝層的熱阻如下：

1.Chip：2℃/W

2.Bondinglayer：3℃/W

3.氧化鋁基板：20℃/W(高熱阻,基板制作不佳)當(dāng)175mA小電流通入在1x1mm2的LED芯片上，氧化鋁基板因熱阻的溫升為10.5℃(=20x175mAx3.0V),熱不易傳導(dǎo)出LED芯片；當(dāng)350mA電流通入在1x1mm2的LED芯片上，氧化鋁基板因熱阻的溫升為23℃(=20x350mAx3.3V)，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)500mA大電流通入在1x1mm2的LED芯片上時，氧化鋁基板因熱阻的溫升大約為36℃(20x(500Ax3.6V)，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(~175mA，約0.5W)。

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(LEDarea:1x1mm;LEDemitter:3.15x3.5mm))的結(jié)果，在25℃環(huán)境溫度下測試時，各封裝層的熱阻如下：

1.Chip：2℃/W

2.Bondinglayer：1.5℃/W

3.氧化鋁基板：4.7℃/W(氧化鋁基板厚度:400um,銅層厚度75um)