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LED封装用陶瓷材料 - 高功率LED封装基板技术分析

2011年11月07日 14:00 本站整理 作者:秩名 用户评论(0
LED封装用陶瓷材料分成氧化铝与氮化铝,氧化铝的热传导率是环氧树脂的55倍,氮化铝则是环氧树脂的55倍400倍,因此目前高功率LED封装用基板大多使用热传导率为200W/mK的铝质,或是热传导率为400W/mK的铜质金属封装基板。

  半导体IC芯片的接合剂分别使用环氧系接合剂、玻璃、焊锡、金共晶合金等材料。LED芯片用接合剂除了上述高热传导性之外,基于接合时降低热应力等观点,还要求低温接合与低杨氏系数等等,符合这些条件的接合剂分别是环氧系接合剂充填银的环氧树脂,与金共晶合金系的Au-20%Sn。

  接合剂的包覆面积与LED芯片的面积几乎相同,因此无法期待水平方向的热扩散,只能寄望于垂直方向的高热传导性。

  图17是热传导差异对封装内部的温度分布,与热流束特性的模拟分析结果,封装基板使用氮化铝。根据仿真分析结果显示LED接合部的温差,热传导性非常优秀的Au-Sn比低散热性银充填环氧树脂接合剂更优秀。

  

 

  有关LED封装基板的散热设计,大致分成:

  ●LED芯片至框体的热传导

  ●框体至外部的热传达

  两大部位。热传导的改善几乎完全仰赖材料的进化,一般认为随着LED芯片大型化、大电流化、高功率化的发展,未来会加速金属与陶瓷封装取代传统树脂封装方式 。此外LED芯片接合部是妨害散热的原因之一,因此薄接合技术成为今后改善的课题。

  提高LED高热排放至外部的热传达特性,以往大多使用冷却风扇与热交换器,由于噪音与设置空间等诸多限制,实际上包含消费者、下游系统应用厂商在内,都不希望使用强制性散热组件,这意味着非强制散热设计必需大幅增加框体与外部接触的面积,同时提高封装基板与框体的散热性。

  具体对策例如高热传导铜层表面涂布“利用远红外线促进热放射的挠曲散热薄膜”等等,根据实验结果证实使用该挠曲散热薄膜的发热体散热效果,几乎与面积接近散热薄膜的冷却风扇相同,如果将挠曲散热薄膜黏贴在封装基板、框体,或是将涂抹层直接涂布在封装基板、框体,理论上还可以提高散热性。

  有关高功率LED的封装结构,要求能够支持LED芯片磊晶接合的微细布线技术;有关材质的发展,虽然氮化铝已经高热传导化,不过高热传导与反射率的互动关系却成为另一个棘手问题,一般认为未来若能提高热传导率低于氮化铝的氧化铝的反射率,对高功率LED的封装材料具有正面帮助。

  结语

  随着LED大型化、大电流化、高功率化的发展,事实上单靠封装基板单体并无法达成预期的散热效,必需配合封装基板周边的散热材料,以及LED封装结构才能进行有效的散热。

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( 发表人:小兰 )

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