氮化鋁陶瓷基板——LED的散熱“福音”
國內(nèi)LED不斷向著高功率、高密度和高校發(fā)展,對LED散熱提出了更高的要求。功率越大散熱越大,解決LED散熱的問題就是關(guān)鍵點。氮化鋁陶瓷基板給LED散熱帶來了“福音”,充分解決了LED大功率散熱的難題。
一,LED散熱基板原理和要求
自2017年以來,LED突飛猛進(jìn),功率越來越大,尋求優(yōu)越的性能材料成為
LED散熱問題的關(guān)鍵所在。從技術(shù)的角度來說,一般LED發(fā)光效率和使用壽命會隨結(jié)溫的增加而下降,當(dāng)結(jié)溫達(dá)到125℃以上時,LED甚至?xí)霈F(xiàn)失效。為使LED結(jié)溫保持在較低溫度下,必須采用高熱導(dǎo)率、低熱阻的散熱基板材料和合理的封裝工藝,以降低LED總體的封裝熱阻。
1、過去SI等金屬材料各項性能對比
現(xiàn)階段常用基板材料有Si、金屬及金屬合金材料、陶瓷和復(fù)合材料等,它們的熱膨脹系數(shù)與熱導(dǎo)率如下表所示。其中Si材料成本高;金屬及金屬合金材料的固有導(dǎo)電性、熱膨脹系數(shù)與芯片材料不匹配;陶瓷材料難加工等缺點,均很難同時滿足大功率基板的各種性能要求。
2、傳統(tǒng)的LED散熱基板滿足不了高功率LED的散熱需求
從過去到現(xiàn)在功率型LED封裝技術(shù)發(fā)展,可供選用的散熱基板主要有環(huán)氧樹脂覆銅基板、金屬基覆銅基板、金屬基復(fù)合基板、陶瓷覆銅基板等。
環(huán)氧樹脂覆銅基板是傳統(tǒng)電子封裝中應(yīng)用最廣泛的基板。它起到支撐、導(dǎo)電和絕緣三個作用。其主要特性有:成本低、較高的耐吸濕性、密度低、易加工、易實現(xiàn)微細(xì)圖形電路、適合大規(guī)模生產(chǎn)等。但由于FR-4的基底材料是環(huán)氧樹脂,有機(jī)材料的熱導(dǎo)率低,耐高溫性差,因此FR-4不能適應(yīng)高密度、高功率LED封裝要求,一般只用于小功率LED封裝中。
金屬基覆銅基板是繼FR-4后出現(xiàn)的一種新型基板。它是將銅箔電路及高分子絕緣層通過導(dǎo)熱粘結(jié)材料與具有高熱導(dǎo)系數(shù)的金屬、底座直接粘結(jié)制得,其熱導(dǎo)率約為1.12 W/m·K,相比FR-4有較大的提高。由于具有優(yōu)異的散熱性,它已成為目前大功率LED散熱基板市場上應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品。但也有其固有的缺點:高分子絕緣層的熱導(dǎo)率較低,只有0.3 W/m·K,導(dǎo)致熱量不能很好的從芯片直接傳到金屬底座上;金屬Cu、Al的熱膨脹系數(shù)較大,可能造成比較嚴(yán)重的熱失配問題。
金屬基復(fù)合基板最具代表性的材料是鋁碳化硅。鋁碳化硅是將SiC陶瓷的低膨脹系數(shù)和金屬Al的高導(dǎo)熱率結(jié)合在一起的金屬基復(fù)合材料,它綜合了兩種材料的優(yōu)點,具有低密度、低熱膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率、高剛度等一系列優(yōu)異特性。AlSiC的熱膨脹系數(shù)可以通過改變SiC的含量來加以調(diào)試,使其與相鄰材料的熱膨脹系數(shù)相匹配,從而將兩者的熱應(yīng)力減至最小。
二,陶瓷基板以及氮化鋁陶瓷基板的優(yōu)勢
1、陶瓷基板的優(yōu)勢
陶瓷基板材料常見的主要有Al2O3、氮化鋁、SiC、BN、BeO、Si3N4等,
與其他基板材料相比,陶瓷基板在機(jī)械性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)具有以下特點:
(1)機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)度,能用作為支持構(gòu)件;加工性好,尺寸精度高;表
面光滑,無微裂紋、彎曲等。
(2)熱學(xué)性質(zhì)。導(dǎo)熱系數(shù)大,熱膨脹系數(shù)與Si和GaAs等芯片材料相匹配,
耐熱性能良好。
(3)電學(xué)性質(zhì)。介電常數(shù)低,介電損耗小,絕緣電阻及絕緣破壞電高,在高
溫、高濕度條件下性能穩(wěn)定,可靠性高。
(4)其他性質(zhì)?;瘜W(xué)穩(wěn)定性好,無吸濕性;耐油、耐化學(xué)藥品;無毒、無公
害、α射線放出量?。痪w結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在使用溫度范圍內(nèi)不易發(fā)生變化;原材料資源豐富。
1、氮化鋁陶瓷基板有更好的散熱性能
氮化鋁陶瓷具有高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度、高電阻率、密度小、低介電常數(shù)、無毒、
以及與Si相匹配的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能,將逐步取代傳統(tǒng)大功率LED基板材料,成為LED功率散熱基板的必要散熱材料。
2、傳統(tǒng)的Al2O3和BeO陶瓷并不能滿足現(xiàn)在大功率LED的散熱要求
在以前Al2O3和BeO陶瓷是大功率封裝兩種主要基板材料。但這兩種
基板材料都固有缺點,Al2O3的熱導(dǎo)率低,熱膨脹系數(shù)與芯片材料不匹配;BeO雖然具有優(yōu)良的綜合性能,但生產(chǎn)成本較高和有劇毒。從性能、成本和環(huán)保等方面考慮,這兩種基板材料均不能作為今后大功率LED器件發(fā)展最理想材料。
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