氧化鋁及硅LED集成封裝基板材料的熱阻比較分析

圖1為目前高功率LED封裝使用的結構，LED芯片會先封裝在導熱基板上，再打金線及封膠，這LED封裝結構體具備輕巧，高熱導及電路簡單等優點，可應用在戶外及室內照明。基板的選擇中，氧化鋁(Al2O3)及硅(Si)都是目前市面上已在應用的材料，其中氧化鋁基板因是絕緣體，必須有傳導熱設計，藉由電鍍增厚銅層達75um；而硅是優良導熱體，但絕緣性不良，必須在表面做絕緣處理。

圖1 LED封裝結構

氧化鋁基板及硅基板目前皆已應用于高功率LED的封裝，由于LED發光效率仍有待提升，熱仍是使用LED燈具上必須解決的重要問題，因此LED導熱功能必須仔細分析。要分析導熱功能必須使用熱阻儀來量測，以下的分析將細分LED封裝體結構，包括芯片層，接合層及基板層，來分析每層熱阻，分析工具則是目前世界公認最精確的T3Ster儀器。本文將簡單解析氧化鋁基板及硅基LED板封裝在熱阻的表現(T3Ster儀器實測)，其中專有名詞定義如下：

Rth：熱阻，單位是(℃/W)，公式為T/KA；

T：導熱基板的厚度(um)；

K：導熱基板的導熱系數(W/mC)；

A：導熱面積(mmxmm)。

圖2 E公司氧化鋁基板的LED封裝熱阻分析

將氧化鋁應用在LED封裝主要是因為氧化鋁材料高絕緣性及可制作輕小的組件，然而，氧化鋁基板應用在電子組件，會因為氧化鋁材料導熱系數低(約20K/W)，造成高熱阻。圖2為T3Ster熱阻儀測試E公司氧化鋁基板封裝LED(LEDarea:1x1mm;LEDemitter:3.15x3.5mm))的結果，在25℃環境溫度下測試時，各封裝層的熱阻如下：

1.Chip：2℃/W

2.Bondinglayer：3℃/W

3.氧化鋁基板：20℃/W(高熱阻,基板制作不佳)當175mA小電流通入在1x1mm2的LED芯片上，氧化鋁基板因熱阻的溫升為10.5℃(=20x175mAx3.0V),熱不易傳導出LED芯片；當350mA電流通入在1x1mm2的LED芯片上，氧化鋁基板因熱阻的溫升為23℃(=20x350mAx3.3V)，此時氧化鋁基板會無法將熱傳導出LED芯片，LED芯片會產生大量光衰;而當500mA大電流通入在1x1mm2的LED芯片上時，氧化鋁基板因熱阻的溫升大約為36℃(20x(500Ax3.6V)，此時氧化鋁基板也會無法將熱傳導出LED芯片，LED芯片會快速光衰。因此，LED芯片封裝若選擇氧化鋁基板，因其熱阻高，封裝組件只適合使用在低功率(~175mA，約0.5W)。

圖3 R公司氧化鋁基板的LED封裝熱阻分析

圖3為T3Ster熱阻儀測試氧化鋁基板封裝LED(LEDarea:1x1mm;LEDemitter:3.15x3.5mm))的結果，在25℃環境溫度下測試時，各封裝層的熱阻如下：

1.Chip：2℃/W

2.Bondinglayer：1.5℃/W

3.氧化鋁基板：4.7℃/W(氧化鋁基板厚度:400um,銅層厚度75um)