氧化铝及硅LED集成封装基板材料的热阻比较分析

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(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;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：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