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 (mm x mm)。

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 oC环境温度下测试时，各封装层的热阻如下：

　　1. Chip: 2 oC/W

　　2. Bonding layer : 3 oC/W

　　3. 氧化铝基板: 20 oC/W (高热阻, 基板制作不佳)

当175mA小电流通入在1 x 1 mm? 的LED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1 x 1 mm2 的LED芯片上， 氧化铝基板因热阻的温升为23oC(=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 mm? 的LED芯片上时，氧化铝基板因热阻的温升大约为36 oC(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)。

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 oC环境温度下测试时，各封装层的热阻如下：

　　1. Chip : 2 oC/W

　　2. Bonding layer : 1.5 oC/W

　　3. 氧化铝基板 : 4.7 oC/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 oC; 当电流来到 350mA，基板温升为6.9 oC，当500mA电流通入时，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8 o C, 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3.37 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 oC环境温度下测试时，各封装层的热阻如下：

　　1. Chip: 1 oC/W

　　2. Bonding layer: 1.5 o C/W

　　3. Si substrate: 2.5 o C/W

当大电流 (700 mA) 通入在 1 x 1 mm? 的LED芯片上， 硅基板因热阻的温升为 6. 3 oC (=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 o C/W

　　LED氧化铝，E公司 : 25 o C/W

　　LED 氧化铝封装，R公司 : 8.2 o C/W