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以氧化鋁及硅作為L(zhǎng)ED集成封裝基板材料的熱阻比較分析

發(fā)布時(shí)間:2011-01-20 來源:采鈺科技

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?;宓倪x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。
                             LED封裝結(jié)構(gòu)
                                                                 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 / 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)。
                        E公司氧化鋁基板的LED封裝熱阻分析
                                               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T3Ster 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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                            R公司氧化鋁基板的LED封裝熱阻分析
                                                    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(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)。
                      VisEra硅基板LED封裝熱阻分析
                                                        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

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