摘 要：隨著LED向高功率、高集成、密集化、小型化方向發(fā)展，散熱問題成為L(zhǎng)ED進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。UV LED的電光轉(zhuǎn)換效率較低，注入器件的大量電能轉(zhuǎn)變成焦耳熱，器件的自熱( self-heating)問題很嚴(yán)峻，這也是影響UV LED器件老化和失效的一個(gè)關(guān)鍵因素，因此UV LED對(duì)基板的導(dǎo)熱性能要求非常高。本文概述了幾種常用陶瓷基板材料的差異、以及在UV LED應(yīng)用領(lǐng)域中的重大意義。指出氮化鋁陶瓷基板綜合性能最好，是UV LED理想的基板材料。

關(guān) 鍵 詞：UV LED；氮化鋁；陶瓷基板；熱阻

Application and research of AlN ceramic substrate in UV LED

Wang Hui 1

(1 Jiangsu Wenrun Optoelectronic Co., Ltd，R&D Department，Zhenjiang 212000)

Abstract：With the development of LED to high power, high integration, intensive and miniaturization, heat dissipation becomes the bottleneck of further development of LED. The electro-optical conversion efficiency of UV LED is low, and a large amount of electric energy injected into the device is converted into Joule heat. The self heating problem of the device is very serious, which is also a key factor affecting the aging and failure of UV LED devices. Therefore, the thermal conductivity of the substrate required by UV LED is very high. This paper summarizes the differences of several commonly used ceramic substrate materials and their great significance in the application of UV LED. It is pointed out that AlN ceramic substrate has the best comprehensive properties and is an ideal substrate material for UV LED.

Key words：UV LED; Aluminum nitride; ceramic substrate；thermal resistance

前言

高功率LED有源區(qū)面積小、工作電流大，產(chǎn)生的高密度熱量在狹小的空間難以及時(shí)散出[1]，引起LED溫度升高。然而高溫將對(duì)LED產(chǎn)生致命的影響，致使光衰嚴(yán)重、熒光粉氧化、芯片發(fā)射光譜漂移，使得LED 壽命降低[2]。

圖 l為白光LED結(jié)溫與出光率的關(guān)系圖，從圖中可以看出，LED 出光率隨著結(jié)溫的升高而降低，當(dāng)結(jié)溫高于85℃時(shí)出光率快速衰減。因此解決散熱問題是高功率LED發(fā)展的關(guān)鍵。

圖1 白光LED結(jié)溫與出光率關(guān)系圖

高功率LED熱傳導(dǎo)主要途徑是PN結(jié)→外延層→封裝基板→外殼→空氣，所以封裝基板的選擇對(duì)LED散熱至關(guān)重要[3,4]。此外基板還需兼具電氣連接和機(jī)械支撐的作用。

現(xiàn)在常用的高功率LED基板有金屬基板和陶瓷基板。金屬基板導(dǎo)熱性好，但是因金屬膨脹系數(shù)跟芯片相差很大而易產(chǎn)生熱應(yīng)力使得LED性能下降。陶瓷基板兼具高導(dǎo)熱性、高絕緣性和高穩(wěn)定性，且熱膨脹系數(shù)與芯片相近[5]，更能有效提高高功率LED的綜合性能。

UVC- LED的外量子效率(EQE)特別低，它們僅將大約1.5~3%的功率輸入轉(zhuǎn)換成光，剩余功率被轉(zhuǎn)換成熱量，熱量必須要快速去除，所以導(dǎo)熱基板必須要有非常高的導(dǎo)熱系數(shù)，且熱膨脹系數(shù)與芯片相近，陶瓷基板符合要求。

1 常用的陶瓷基板

常用的陶瓷基板材料有氧化鋁、氮化鋁、碳化硅等，材料參數(shù)見表1[4]。

1.1氧化鋁(Al2O3)

優(yōu)點(diǎn)：耐高溫：一般可在1600℃長(zhǎng)期使用；

高強(qiáng)度:為普通陶瓷的2～3倍；

缺點(diǎn): 氧化鋁的熱膨脹系數(shù)與芯片熱膨脹系數(shù)不匹配，熱應(yīng)力會(huì)影響產(chǎn)品性能；

用途: 極為廣泛，可用作坩堝、高溫耐火材料、熱電偶套管、密封環(huán)等。

1.2氮化鋁(AlN)

優(yōu)點(diǎn)：熱導(dǎo)率高、膨脹系數(shù)低、強(qiáng)度高、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕；

缺點(diǎn): 生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高；

用途：大功率集成電路、高功率散熱等。

1.3碳化硅(SiC)

優(yōu)點(diǎn)：具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、良好的導(dǎo)熱性、抗氧化性；

缺點(diǎn): 隨著溫度的升高，基板熱導(dǎo)率明顯下降，嚴(yán)重影響產(chǎn)品性能；

用途：火箭尾噴管噴嘴、熱電偶套管、爐管、熱交換器材料、砂輪、磨料等。

表1 常用陶瓷材料參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)基于LED封裝技術(shù)將金屬基板與陶瓷基板對(duì)芯片散熱差異作對(duì)比說明。

2.1 LED導(dǎo)熱機(jī)理

導(dǎo)熱機(jī)理: 是由晶格振動(dòng)的波格來實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)量子理論，晶格波或熱波可以作為聲子的運(yùn)動(dòng)來描述；通過聲子間的相互碰撞，高密度區(qū)的聲子向低密度區(qū)擴(kuò)散，聲子的擴(kuò)散同時(shí)伴隨著熱的傳遞。圖2是熱傳導(dǎo)示意圖。

圖2 熱傳導(dǎo)示意圖

2.2 聲子與熱導(dǎo)率的關(guān)系

聲子本身都會(huì)產(chǎn)生聲子散射，從而影響材料的熱導(dǎo)率，影響關(guān)系式為：

式中：K為材料熱導(dǎo)率，c為材料比熱容，v為聲子的平均速度，λ為聲子的平均自由程。

2.3 熱成像實(shí)驗(yàn)（四款基板）

LED芯片的工作溫度會(huì)直接影響到LED出光效率、色度漂移和使用壽命，而LED基板的主要作用是散除芯片熱量。我們以88顆LED芯片作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以同樣的排列方式分別固定在鋁基板、氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板、銅基板上進(jìn)行測(cè)試。

圖3～圖6：分別是四種基板的溫度分布圖；表2：是不同基板溫度對(duì)照表。

圖3 鋁基板溫度分布圖

圖4 氧化鋁基板溫度分布圖

圖5 氮化鋁基板溫度分布圖

圖6 銅基板溫度分布圖

表2 不同基板溫度對(duì)照

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：從熱力圖與數(shù)據(jù)對(duì)比中得知，四款基板芯片溫度：Al>Al2O3>Cu>AlN，氮化鋁陶瓷基板的散熱性最優(yōu)，且熱膨脹系數(shù)也與大多數(shù)芯片相匹配，避免芯片因熱應(yīng)力而失效，所以廣泛應(yīng)用于LED散熱。

2.4 熱阻實(shí)驗(yàn)（四款基板）

實(shí)驗(yàn)材料與條件：

實(shí)驗(yàn)材料:Al2O3、AlN、Al、Cu的四種基板，基板尺寸:3.5mm*3.5mm*0.8mm（其中導(dǎo)熱層厚度0.5mm）；

實(shí)驗(yàn)條件：Ta= 25℃?！?/p>

圖7是基板尺寸圖：

圖7 基板尺寸圖

2.4.1 氧化鋁熱阻計(jì)算

= 0.5×10-3m/(3.3×2.3×10-6m2×20W/m.K)=3.29℃/W

2.4.2 氮化鋁熱阻計(jì)算

= 0.5×10-3m/(3.3×2.3×10-6m2×170W/m.K)=0.39℃/W

2.4.3 鋁基板熱阻計(jì)算

= 0.5×10-3m/(3.3×2.3×10-6m2×10W/m.K)=6.58℃/W

2.4.4 銅基板熱阻計(jì)算

= 0.5×10-3m/(3.3×2.3×10-6m2×108.9W/m.K)=0.60℃/W

2.4.5 熱阻示意圖

圖8 不同基板的熱阻示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：以上熱阻計(jì)算結(jié)果和示意圖中：Al>Al2O3>Cu>AlN，氮化鋁基板的熱阻最低，其導(dǎo)熱性能最佳。

2.5 光衰試驗(yàn)（四款基板）

2.5.1 試驗(yàn)材料：

光源: 3535 UV LED；

固晶銀膠：TKS-123；

金線：Φ1.2mil；

四款支架：AlN （170W/m.K）、Cu（108.9W/m.K）、Al2O3（20W/m.K）、

Al（10W/m.K）；

晶片：45mil*45mil ，WLP:400～410nm ，PO:800～900mW ,VF:3.1～3.6V

2.5.2 老化條件：

老化電流：700mA；

老化環(huán)境：Ta=25℃。

2.5.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)：

表3是UV LED光衰測(cè)試數(shù)據(jù)；圖9是UV LED光衰曲線圖；圖10是UV LED光衰推算圖。

表3 UV LED光衰測(cè)試數(shù)據(jù)

圖9 UV LED光衰曲線圖

圖10 UV LED光衰推算圖（L70壽命）

試驗(yàn)數(shù)據(jù)：

<1> 氮化鋁：8000H老化，光通維持率95.8%，實(shí)際推算：L70壽命為67000H；