LED散熱新趨勢─LED矽基板封裝導熱

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

因應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晶片上轉換成光的效率只有30 %，有70 %電流會(huì )轉成熱，如果沒(méi)有良好導熱方法將熱傳導出LED晶片，LED晶片便會(huì )燒損，造成快速光衰。

解決LED封裝熱導，必須從結構上采低熱阻設計，同時(shí)在尺寸方面具備有輕巧的功能，以符合現代燈具需求。 為因應LED封裝需求，傳統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出，同時(shí)具備有輕小的功能。
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圖1　輕巧及導熱佳的LED封裝。

熱阻計算的理論公式為Rth = T / KA，其中各參數的定義如下：

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：導熱基板的厚度(um)；
K：導熱基板的導熱系數(W/mK)；
A：導熱面積(mm x mm)。

所以，根據熱阻計算理論公式，在固定基板厚度及導熱面積下，如何選擇可以具有高導熱系數，同時(shí)又可量產(chǎn)的基板材料，是解決LED導熱的關(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用在電阻、電容、混膜電路、汽車(chē)電子以及高頻元件電路板使用，而矽則應用在半導體元件制造；將氧化鋁應用在LED封裝是因為氧化鋁材料高絕緣性及可制作輕小元件，然而，因為氧化鋁材料低導熱系數，在氧化鋁基板厚度是400um時(shí)，所造成的熱阻是5.2 K/W，當大電流(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(cháng)ED基板的難題。

矽材料也被大量應用在半導體制程及相關(guān)封裝，使用矽制造相關(guān)設備及材料已經(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(lài)度及低熱導系數(140 W/mK)，當應用在LED封裝時(shí)，以理論值計算，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L(fǎng)ED元件每減少1 K/W熱阻則使用壽命則增長(cháng)1,000小時(shí)計算，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。

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

圖2　理論公式及實(shí)際量測的熱阻值。

將此LED封裝產(chǎn)品以精密量測熱阻設備(T3Ster)進(jìn)行實(shí)際量測，可以清楚看到每層結構的熱阻值(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(cháng)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)際量測值來(lái)看，二者結果是非常接近的，所以使用矽基板為導熱材料應用在LED封裝是較佳選擇，因為矽基板可成熟量產(chǎn)及解決LED封裝的導熱難題。