氧化铝及硅LED集成封装基板材料的热阻比较分析

　　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(mmxmm)。

　　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(LEDarea:1x1mm;LEDemi tter:3.15x3.5mm))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.Bondinglayer：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1x1mm2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1x1mm2的LED芯片上,氧化铝基板因热阻的温升为23℃(=20x350mAx3.3V),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500mA大电流通入在1x1mm2的LED芯片上时,氧化铝基板因热阻的温升大约为36℃(20x(500Ax3.6V),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(~175mA,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(LEDarea:1x1mm;LEDemitter:3.15x3.5mm))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.Bondinglayer：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)。

　　应用以硅为导热基板的LED封装,如图4所示,在3.37x3.37mxm2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.Bondinglayer：1.5℃/W

　　3.Sisubstrate：2.5℃/W

　　图4 VisEra硅基板LED封装热阻分析

　　当大电流(700mA)通入在1x1mm2的LED芯片上,硅基板因热阻的温升为6.3℃(=2.5x700mAx3.6V),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(~700mA,约3W)。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。

　　总体LED封装热阻经T3Ster实测结果比较如下：

　　LEDSi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