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以氧化铝及硅作为LED集成封装基板材料的热阻比较分析

发布时间:2011-01-20 来源:采钰科技

中心议题:

  • 氧化铝基板封装在热阻的表现
  • 硅基LED板封装在热阻的表现


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。
                             LED封装结构
                                                                 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)。
                        E公司氧化铝基板的LED封装热阻分析
                                               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)。
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                            R公司氧化铝基板的LED封装热阻分析
                                                    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)。
                      VisEra硅基板LED封装热阻分析
                                                        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

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。

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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