LED散熱新趨勢(shì)─LED矽基板封裝導(dǎo)熱

以矽基材料做為LED封裝基板技術(shù)，近幾年逐漸從半導(dǎo)體業(yè)界被引進(jìn)到LED業(yè)界，而LED基板采用矽材料最大優(yōu)勢(shì)便是其優(yōu)異的導(dǎo)熱能力。

因應(yīng)LED照明市場(chǎng)需求而發(fā)展的功率型LED封裝，使用電流不斷增加，由150 mA、350 mA，到現(xiàn)在700 mA甚至1A，使用在1平方毫米的LED晶片上，由于電流在LED晶片上轉(zhuǎn)換成光的效率只有30 %，有70 %電流會(huì)轉(zhuǎn)成熱，如果沒有良好導(dǎo)熱方法將熱傳導(dǎo)出LED晶片，LED晶片便會(huì)燒損，造成快速光衰。

解決LED封裝熱導(dǎo)，必須從結(jié)構(gòu)上采低熱阻設(shè)計(jì)，同時(shí)在尺寸方面具備有輕巧的功能，以符合現(xiàn)代燈具需求。 為因應(yīng)LED封裝需求，傳統(tǒng)LED封裝必須有革命性的改變。 近年來(lái)發(fā)展出了1種最具代表性的封裝(如圖1 所示)，LED產(chǎn)生的熱可由基板直接導(dǎo)出，同時(shí)具備有輕小的功能。
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圖1　輕巧及導(dǎo)熱佳的LED封裝。

熱阻計(jì)算的理論公式為Rth = T / KA，其中各參數(shù)的定義如下：

Rth：熱阻，單位是K/W，也就是每瓦(W) 電流通入LED晶片時(shí)，所產(chǎn)生的溫度值；
T：導(dǎo)熱基板的厚度(um)；
K：導(dǎo)熱基板的導(dǎo)熱系數(shù)(W/mK)；
A：導(dǎo)熱面積(mm x mm)。

所以，根據(jù)熱阻計(jì)算理論公式，在固定基板厚度及導(dǎo)熱面積下，如何選擇可以具有高導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)又可量產(chǎn)的基板材料，是解決LED導(dǎo)熱的關(guān)鍵。 以目前工業(yè)技術(shù)或量產(chǎn)成熟度來(lái)看，由于氧化鋁(Al2O3)及矽(Si)二者已同時(shí)大量應(yīng)用在電子元件基板，會(huì)成為業(yè)界最佳LED基板材料的選擇。

氧化鋁目前被大量應(yīng)用在電阻、電容、混膜電路、汽車電子以及高頻元件電路板使用，而矽則應(yīng)用在半導(dǎo)體元件制造；將氧化鋁應(yīng)用在LED封裝是因?yàn)檠趸X材料高絕緣性及可制作輕小元件，然而，因?yàn)檠趸X材料低導(dǎo)熱系數(shù)，在氧化鋁基板厚度是400um時(shí)，所造成的熱阻是5.2 K/W，當(dāng)大電流(700 mA)通入在LED晶片上，瞬間溫升為13℃，將無(wú)法把熱立即傳導(dǎo)出LED晶片，這時(shí)LED晶片會(huì)產(chǎn)生快速光衰，因此，熱阻偏高是使用氧化鋁做為L(zhǎng)ED基板的難題。

矽材料也被大量應(yīng)用在半導(dǎo)體制程及相關(guān)封裝，使用矽制造相關(guān)設(shè)備及材料已經(jīng)非常成熟，因此，若將矽制作成LED封裝的基板可以容易大量生產(chǎn)，同時(shí)矽具有高信賴度及低熱導(dǎo)系數(shù)(140 W/mK)，當(dāng)應(yīng)用在LED封裝時(shí)，以理論值計(jì)算，矽基板所造成的熱阻只有0.66 K/W，是氧化鋁基板5.2 K/W的0.13倍，如果以LED元件每減少1 K/W熱阻則使用壽命則增長(zhǎng)1,000小時(shí)計(jì)算，使用矽基板會(huì)比使用氧化鋁基板增加4,600小時(shí)使用壽命。

以矽為導(dǎo)熱基板的LED封裝，目前已實(shí)際應(yīng)用于照明光源設(shè)計(jì)方面，以采鈺科技矽材料為導(dǎo)熱基板的LED封裝產(chǎn)品為例，在3.37平方毫米的小尺寸面積內(nèi)，以矽材料為導(dǎo)熱基板進(jìn)行封裝，具快速導(dǎo)熱性能，可大幅解決因使用氧化鋁造成的高熱阻問題。

圖2　理論公式及實(shí)際量測(cè)的熱阻值。

將此LED封裝產(chǎn)品以精密量測(cè)熱阻設(shè)備(T3Ster)進(jìn)行實(shí)際量測(cè)，可以清楚看到每層結(jié)構(gòu)的熱阻值(如圖2 所示)。 由圖2 的分析可以得知，LED的GaN及晶片基板造成熱阻分別是0.5 K/W及2.6 K/W，做為L(zhǎng)ED晶片固晶材料的銀層所造成的熱阻為1.3 K/W ，而矽基板所造成的熱阻為0.6 K/W。

由理論公式及實(shí)際量測(cè)值來(lái)看，二者結(jié)果是非常接近的，所以使用矽基板為導(dǎo)熱材料應(yīng)用在LED封裝是較佳選擇，因?yàn)槲蹇沙墒炝慨a(chǎn)及解決LED封裝的導(dǎo)熱難題。