中心議題：

• 氧化鋁基板封裝在熱阻的表現(xiàn)
• 硅基LED板封裝在熱阻的表現(xiàn)

圖1為目前高功率LED封裝使用的結(jié)構(gòu)， LED芯片會(huì)先封裝在導(dǎo)熱基板上，再打金線及封膠，這LED封裝結(jié)構(gòu)體具備輕巧，高熱導(dǎo)及電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用在戶外及室內(nèi)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(yīng)用的材料，其中氧化鋁基板因是絕緣體，必須有傳導(dǎo)熱設(shè)計(jì)，藉由電鍍?cè)龊胥~層達(dá)75um；而硅是優(yōu)良導(dǎo)熱體，但絕緣性不良，必須在表面做絕緣處理。
                            
                                                                 圖 1  LED封裝結(jié)構(gòu)

氧化鋁基板及硅基板目前皆已應(yīng)用于高功率LED的封裝，由于LED發(fā)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(wèn)題，因此LED導(dǎo)熱功能必須仔細(xì)分析。要分析導(dǎo)熱功能必須使用熱阻儀來(lái)量測(cè)，以下的分析將細(xì)分LED封裝體結(jié)構(gòu)，包括芯片層，接合層及基板層，來(lái)分析每層熱阻，分析工具則是目前世界公認(rèn)最精確的T3Ster儀器。

本文將簡(jiǎn)單解析氧化鋁基板及硅基LED板封裝在熱阻的表現(xiàn) (T3Ster儀器實(shí)測(cè))，其中專有名詞定義如下：

Rth: 熱阻，單位是 (℃/W)，公式為T(mén) / KA；
T: 導(dǎo)熱基板的厚度 (um)；
K: 導(dǎo)熱基板的導(dǎo)熱系數(shù) (W/mC)；
A: 導(dǎo)熱面積 (mm x mm)。
                      
                                               圖 2  E公司氧化鋁基板的LED封裝熱阻分析

將氧化鋁應(yīng)用在LED封裝主要是因?yàn)檠趸X材料高絕緣性及可制作輕小的組件， 然而，氧化鋁基板應(yīng)用在電子組件，會(huì)因?yàn)檠趸X材料導(dǎo)熱系數(shù)低(約 20K/W)，造成高熱阻。圖2為T(mén)3Ster 熱阻儀測(cè)試E公司氧化鋁基板封裝 LED( LED area: 1 x 1 mm; LED emitter: 3.15x3.5 mm)) 的結(jié)果，在25℃環(huán)境溫度下測(cè)試時(shí)，各封裝層的熱阻如下：

1.      Chip: 2 ℃/W
2.      Bonding layer : 3 ℃/W
3.      氧化鋁基板: 20 ℃/W (高熱阻, 基板制作不佳)

當(dāng)175mA小電流通入在1 x 1 mm² 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(dǎo)出LED芯片；當(dāng)350mA電流通入在1 x 1 mm² 的LED芯片上， 氧化鋁基板因熱阻的溫升為23℃(=20 x 350mAx3.3 V)，此時(shí)氧化鋁基板會(huì)無(wú)法將熱傳導(dǎo)出LED芯片，LED芯片會(huì)產(chǎn)生大量光衰; 而當(dāng) 500 mA大電流通入在1 x 1 mm² 的LED芯片上時(shí)，氧化鋁基板因熱阻的溫升大約為36℃(20 x (500 Ax3.6 V)，此時(shí)氧化鋁基板也會(huì)無(wú)法將熱傳導(dǎo)出LED芯片，LED芯片會(huì)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 (~ 175 mA， 約0.5W)。
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                                                    圖 3  R公司氧化鋁基板的LED封裝熱阻分析

圖3為T(mén)3Ster 熱阻儀測(cè)試氧化鋁基板封裝 LED( LED area: 1 x 1 mm; LED emitter: 3.15x3.5 mm)) 的結(jié)果，在25℃環(huán)境溫度下測(cè)試時(shí)，各封裝層的熱阻如下：

1.      Chip : 2℃/W
2.      Bonding layer : 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)

當(dāng)175mA小電流通入下，其基板因熱阻溫升為 4.7℃; 當(dāng)電流來(lái)到 350mA，基板溫升為6.9℃，當(dāng)500mA電流通入時(shí)，基板溫升大約為8.1℃, 及當(dāng)700mA大電流通入下，基板因熱阻溫升大約為11℃。

當(dāng)氧化鋁基板溫升大于8℃, 此時(shí)氧化鋁基板會(huì)不易將熱傳導(dǎo)出LED芯片，LED芯片會(huì)快速光衰。 LED芯片封裝在氧化鋁基板，封裝組件只適合始使用功率 (~ 350mA， 約 1watt)。
                    
                                                        圖 4  VisEra硅基板LED封裝熱阻分析

應(yīng)用以硅為導(dǎo)熱基板的LED封裝，如圖4所示，在3.37 x3.37 mxm2 的小尺寸面積上，具有快速導(dǎo)熱的性能， 可大幅解決因?yàn)槭褂醚趸X造成的高熱阻問(wèn)題。以精密的量測(cè)熱阻設(shè)備 (T3Ster)量測(cè)到的熱阻值，在25℃環(huán)境溫度下測(cè)試時(shí)，各封裝層的熱阻如下：

1.      Chip: 1℃/W
2.      Bonding layer: 1.5℃/W
3.      Si substrate: 2.5℃/W

當(dāng)大電流 (700 mA) 通入在 1 x 1 mm² 的 LED芯片上， 硅基板因熱阻的溫升為 6. 3℃ (=2.5 x 700mA x 3.6 V)，硅基板會(huì)快速將熱傳導(dǎo)出LED芯片，LED芯片只會(huì)有小量光衰。 硅藉由優(yōu)良導(dǎo)熱性能將熱傳導(dǎo)出LED芯片，LED芯片會(huì)只會(huì)有小許光衰。 因此，LED芯片封裝在硅基板上適合于大功率使用 ( ~700 mA，約 3 W)。 因?yàn)楣杌逯谱骷癓ED封裝在硅基板, 技術(shù)難度非常高, 目前只有少許公司具備。硅作為L(zhǎng)ED集成封裝基板材料的熱阻低于氧化鋁基板材料, 應(yīng)用于大功率時(shí), 硅基板為好的選擇。

總體LED封裝熱阻經(jīng)T3Ster實(shí)測(cè)結(jié)果比較如下：

LED Si 封裝: VisEra : 5 ℃/W
LED氧化鋁，E公司 : 25 ℃/W
LED 氧化鋁封裝，R公司 : 8.2 ℃/W