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LED散熱新趨勢─LED矽基板封裝導熱

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所屬頻道:新聞中心

關鍵詞: LED封裝,采鈺科技,散熱

    以矽基材料做為LED封裝基板技術,近幾年逐漸從半導體業(yè)界被引進到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 %電流會轉成熱,如果沒有良好導熱方法將熱傳導出LED晶片,LED晶片便會燒損,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。 近年來發(fā)展出了1種最具代表性的封裝(如圖1 所示),LED產生的熱可由基板直接導出,同時具備有輕小的功能。  

    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,所產生的溫度值;
     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,同時又可量產的基板材料,是解決LED導熱的關鍵。 以目前工業(yè)技術或量產成熟度來看,由于氧化鋁(Al2O3)及矽(Si)二者已同時大量應用在電子元件基板,會成為業(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,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℃,將無法把熱立即傳導出LED晶片,這時LED晶片會產生快速光衰,因此,熱阻偏高是使用氧化鋁做為LED基板的難題。

    矽材料也被大量應用在半導體制程及相關封裝,使用矽制造相關設備及材料已經非常成熟,因此,若將矽制作成LED封裝的基板可以容易大量生產,同時矽具有高信賴度及低熱導系數(140 W/mK),當應用在LED封裝時,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LED元件每減少1 K/W熱阻則使用壽命則增長1,000小時計算,使用矽基板會比使用氧化鋁基板增加4,600小時使用壽命。

    以矽為導熱基板的LED封裝,目前已實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題。

    圖2 理論公式及實際量測的熱阻值。

    將此LED封裝產品以精密量測熱阻設備(T3Ster)進行實際量測,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LED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。

    由理論公式及實際量測值來看,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及解決LED封裝的導熱難題。

     

    (審核編輯: 智匯小新)

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