最適合LED的散熱基板
——氮化鋁陶瓷基板

目前，隨著國內(nèi)外LED行業(yè)向高效率、高密度、大功率等方向發(fā)展，從2017到2018就可以看出，整體國內(nèi)LED有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，功率也是越來越大，開發(fā)性能優(yōu)越的散熱材料已成為解決LED散熱問題的當(dāng)務(wù)之急。一般來說，LED發(fā)光效率和使用壽命會(huì)隨結(jié)溫的增加而下降，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到125℃以上時(shí)，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。

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(diǎn)，均很難同時(shí)滿足大功率基板的各種性能要求。

功率型LED封裝技術(shù)發(fā)展至今，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(gè)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(shí)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(diǎn)：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(diǎn)，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。

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(diǎn)：

（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)。化學(xué)穩(wěn)定性好，無吸濕性；耐油、耐化學(xué)藥品；無毒、無公害、α射線放出量小；晶體結(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。

長期以來，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(diǎn)，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。因此，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。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，成為今后最具發(fā)展前途的一種陶瓷基板材料。