以氧化铝及硅作为LED集成封装基板材料的热阻比较分析

以氧化铝及硅作为LED集成封装基板材料的热阻比较分析
2010-12-30 16:55:42 中国半导体照明网采钰科技行业:封装浏览

　　当大电流 (700 mA) 通入在 1 x 1 mm² 的LED芯片上，硅基板因热阻的温升为 6. 3℃ (=2.5 x 700mA x 3.6 V)，硅基板会快速将热传导出LED芯片，LED芯片只会有小量光衰。硅藉由优良导热性能将热传导出LED芯片，LED芯片会只会有小许光衰。因此，LED芯片封装在硅基板上适合于大功率使用( ~700 mA，约 3 W)。因为硅基板制作及LED封装在硅基板, 技术难度非常高, 目前只有少许公司具备。硅作为LED集成封装基板材料的热阻低于氧化铝基板材料, 应用于大功率时, 硅基板为好的选择。

　　图1为目前高功率LED封装使用的结构， LED芯片会先封装在导热基板上，再打金线及封胶，这LED封装结构体具备轻巧，高热导及电路简单等优点，可应用在户外及室内照明。基板的选择中，氧化铝 (Al2O3) 及硅 (Si) 都是目前市面上已在应用的材料，其中氧化铝基板因是绝缘体，必须有传导热设计，藉由电镀增厚铜层达75um；而硅是优良导热体，但绝缘性不良，必须在表面做绝缘处理。

图1 LED封装结构

　　氧化铝基板及硅基板目前皆已应用于高功率LED的封装，由于LED发光效率仍有待提升，热仍是使用LED灯具上必须解决的重要问题，因此LED导热功能必须仔细分析。要分析导热功能必须使用热阻仪来量测，以下的分析将细分LED封装体结构，包括芯片层，接合层及基板层，来分析每层热阻，分析工具则是目前世界公认最精确的T3Ster仪器。

　　本文将简单解析氧化铝基板及硅基LED板封装在热阻的表现 (T3Ster仪器实测)，其中专有名词定义如下：

Rth: 热阻，单位是 (℃/W)，公式为T / KA；
T: 导热基板的厚度 (um)；
K: 导热基板的导热系数 (W/mC)；
A: 导热面积 (mm x mm)。

图2 E公司氧化铝基板的LED封装热阻分析

将氧化铝应用在LED封装主要是因为氧化铝材料高绝缘性及可制作轻小的组件，然而，氧化铝基板应用在电子组件，会因为氧化铝材料导热系数低(约20K/W)，造成高热阻。图2为T3Ster 热阻仪测试E公司氧化铝基板封装LED( LED area: 1 x 1 mm; LED emitter: 3.15x3.5 mm)) 的结果，在25℃环境温度下测试时，各封装层的热阻如下：

1.      Chip: 2 ℃/W
2.      Bonding layer : 3 ℃/W
3.      氧化铝基板: 20 ℃/W (高热阻, 基板制作不佳)

　　当175mA小电流通入在1 x 1 mm² 的LED芯片上，氧化铝基板因热阻的温升为10.5℃(=20x175mAx3.0V), 热不易传导出LED芯片；当350mA电流通入在1 x 1 mm² 的LED芯片上，氧化铝基板因热阻的温升为23℃(=20 x 350mAx3.3 V)，此时氧化铝基板会无法将热传导出LED芯片，LED芯片会产生大量光衰; 而当500 mA大电流通入在1 x 1 mm² 的LED芯片上时，氧化铝基板因热阻的温升大约为36℃(20 x (500 Ax3.6 V)，此时氧化铝基板也会无法将热传导出LED芯片，LED芯片会快速光衰。因此，LED芯片封装若选择氧化铝基板，因其热阻高，封装组件只适合使用在低功率(~ 175 mA，约0.5W)。

图3 R公司氧化铝基板的LED封装热阻分析

　　图3为T3Ster 热阻仪测试氧化铝基板封装LED( LED area: 1 x 1 mm; LED emitter: 3.15x3.5 mm)) 的结果，在25℃环境温度下测试时，各封装层的热阻如下：

1.      Chip : 2℃/W
2.      Bonding layer : 1.5℃/W
3.      氧化铝基板 : 4.7℃/W (氧化铝基板厚度: 400um, 铜层厚度75um)

　　当175mA小电流通入下，其基板因热阻温升为4.7℃; 当电流来到 350mA，基板温升为6.9℃，当500mA电流通入时，基板温升大约为8.1℃, 及当700mA大电流通入下，基板因热阻温升大约为11℃。

　　当氧化铝基板温升大于8℃, 此时氧化铝基板会不易将热传导出LED芯片，LED芯片会快速光衰。 LED芯片封装在氧化铝基板，封装组件只适合始使用功率 (~ 350mA，约 1watt)。

图4 VisEra硅基板LED封装热阻分析

　　应用以硅为导热基板的LED封装，如图4所示，在3.37 x3.37 mxm2 的小尺寸面积上，具有快速导热的性能，可大幅解决因为使用氧化铝造成的高热阻问题。以精密的量测热阻设备 (T3Ster)量测到的热阻值，在25℃环境温度下测试时，各封装层的热阻如下：

1.      Chip: 1℃/W
2.      Bonding layer: 1.5℃/W
3.      Si substrate: 2.5℃/W

　　总体LED封装热阻经T3Ster实测结果比较如下：

LED Si 封装: VisEra : 5 ℃/W
LED氧化铝，E公司 : 25 ℃/W
LED 氧化铝封装，R公司 : 8.2 ℃/W

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