LED散热新趋势─LED矽基板封装导热

         以矽基材料做为LED封装基板技术，近几年逐渐从半导体业界被引进到LED业界，而LED基板采用矽材料最大优势便是其优异的导热能力。

         因应LED照明市场需求而发展的功率型LED封装，使用电流不断增加，由150 mA、350 mA，到现在700 mA甚至1A，使用在1平方毫米的LED晶片上，由于电流在LED晶片上转换成光的效率只有30 %，有70 %电流会转成热，如果没有良好导热方法将热传导出LED晶片，LED晶片便会烧损，造成快速光衰。

        解决LED封装热导，必须从结构上采低热阻设计，同时在尺寸方面具备有轻巧的功能，以符合现代灯具需求。 为因应LED封装需求，传统LED封装必须有革命性的改变。 近年来发展出了1种最具代表性的封装(如图1 所示)，LED产生的热可由基板直接导出，同时具备有轻小的功能。
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图1　轻巧及导热佳的LED封装。

             热阻计算的理论公式为Rth = T / KA，其中各参数的定义如下： 

Rth：热阻，单位是K/W，也就是每瓦(W) 电流通入LED晶片时，所产生的温度值；
 T：导热基板的厚度(um)；
 K：导热基板的导热系数(W/mK)；
 A：导热面积(mm x mm)。

         所以，根据热阻计算理论公式，在固定基板厚度及导热面积下，如何选择可以具有高导热系数，同时又可量产的基板材料，是解决LED导热的关键。 以目前工业技术或量产成熟度来看，由于氧化铝(Al2O3)及矽(Si)二者已同时大量应用在电子元件基板，会成为业界最佳LED基板材料的选择。

         氧化铝目前被大量应用在电阻、电容、混膜电路、汽车电子以及高频元件电路板使用，而矽则应用在半导体元件制造；将氧化铝应用在LED封装是因为氧化铝材料高绝缘性及可制作轻小元件，然而，因为氧化铝材料低导热系数，在氧化铝基板厚度是400um时，所造成的热阻是5.2 K/W，当大电流(700 mA)通入在LED晶片上，瞬间温升为13℃，将无法把热立即传导出LED晶片，这时LED晶片会产生快速光衰，因此，热阻偏高是使用氧化铝做为LED基板的难题。

           矽材料也被大量应用在半导体制程及相关封装，使用矽制造相关设备及材料已经非常成熟，因此，若将矽制作成LED封装的基板可以容易大量生产，同时矽具有高信赖度及低热导系数(140 W/mK)，当应用在LED封装时，以理论值计算，矽基板所造成的热阻只有0.66 K/W，是氧化铝基板5.2 K/W的0.13倍，如果以LED元件每减少1 K/W热阻则使用寿命则增长1,000小时计算，使用矽基板会比使用氧化铝基板增加4,600小时使用寿命。

         以矽为导热基板的LED封装，目前已实际应用于照明光源设计方面，以采钰科技矽材料为导热基板的LED封装产品为例，在3.37平方毫米的小尺寸面积内，以矽材料为导热基板进行封装，具快速导热性能，可大幅解决因使用氧化铝造成的高热阻问题。

图2　理论公式及实际量测的热阻值。

         将此LED封装产品以精密量测热阻设备(T3Ster)进行实际量测，可以清楚看到每层结构的热阻值(如图2 所示)。 由图2 的分析可以得知，LED的GaN及晶片基板造成热阻分别是0.5 K/W及2.6 K/W，做为LED晶片固晶材料的银层所造成的热阻为1.3 K/W ，而矽基板所造成的热阻为0.6 K/W。

        由理论公式及实际量测值来看，二者结果是非常接近的，所以使用矽基板为导热材料应用在LED封装是较佳选择，因为矽基板可成熟量产及解决LED封装的导热难题。