氧化铝及硅作为led封装基板材料的热阻比较分析

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1、氧化铝及硅作为LED封装基板材料的热阻比较分析高功率LED散热一直是一个难题，困扰着LED技术人员，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

2、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（oC/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

3、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25oC环境温度下测试时，各封装层的热阻如下：1、Chip:2oC/W2、Bondinglayer:3oC/W3、氧化铝基板：20oC/W（高热阻，基板制作不佳）当175mA小电流通入在1x1mm²的LED

4、芯片上，氧化铝基板因热阻的温升为10.5oC（=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23oC（=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36oC（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

5、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25oC环境温度下测试时，各封装层的热阻如下：1、Chip:2oC/W2、Bondinglayer:1.5oC/W3、氧化铝基板:4.7oC/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4.7oC;当电流来到350mA,基板温升为6.9oC,当500mA电

6、流通入时，基板温升大约为8.1oC,及当700mA大电流通入下，基板因热阻温升大约为11oC.当氧化铝基板温升大于8oC,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3.37x3.37mxm2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25oC环境温

7、度下测试时，各封装层的热阻如下：1、Chip:1oC/W2、Bondinglayer:1.5oC/W3、Sisubstrate:2.5oC/W当大电流（700mA）通入在1x1mm²的LED芯片上，硅基板因热阻的温升为6.3oC（=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。

8、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:5oC/WLED氧化铝，E公司：25oC/WLED氧化铝封装，R公