最適合LED的散熱基板——氮化鋁陶瓷基板

目前，隨著國內外LED行業向高效率、高密度、大功率等方向發展，從2017到2018就可以看出，整體國內LED有了突飛猛進的進展，功率也是越來越大，開發性能優越的散熱材料已成為解決LED散熱問題的當務之急。一般來說，LED發光效率和使用壽命會隨結溫的增加而下降，當結溫達到125℃以上時，LED甚至會出現失效。為使LED結溫保持在較低溫度下，必須采用高熱導率、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。

現階段常用基板材料有Si、金屬及金屬合金材料、陶瓷和復合材料等，它們的熱膨脹系數與熱導率如下表所示。其中Si材料成本高；金屬及金屬合金材料的固有導電性、熱膨脹系數與芯片材料不匹配；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。

功率型LED封裝技術發展至今，可供選用的散熱基板主要有環氧樹脂覆銅基板、金屬基覆銅基板、金屬基復合基板、陶瓷覆銅基板等。

環氧樹脂覆銅基板是傳統電子封裝中應用最廣泛的基板。它起到支撐、導電和絕緣三個作用。其主要特性有：成本低、較高的耐吸濕性、密度低、易加工、易實現微細圖形電路、適合大規模生產等。但由于FR－4的基底材料是環氧樹脂，有機材料的熱導率低，耐高溫性差，因此FR－4不能適應高密度、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后出現的一種新型基板。它是將銅箔電路及高分子絕緣層通過導熱粘結材料與具有高熱導系數的金屬、底座直接粘結制得，其熱導率約為1．12 W／m·K，相比FR－4有較大的提高。由于具有優異的散熱性，它已成為目前大功率LED散熱基板市場上應用最廣泛的產品。但也有其固有的缺點：高分子絕緣層的熱導率較低，只有0．3 W／m·K，導致熱量不能很好的從芯片直接傳到金屬底座上；金屬Cu、Al的熱膨脹系數較大，可能造成比較嚴重的熱失配問題。

金屬基復合基板最具代表性的材料是鋁碳化硅。鋁碳化硅是將SiC陶瓷的低膨脹系數和金屬Al的高導熱率結合在一起的金屬基復合材料，它綜合了兩種材料的優點，具有低密度、低熱膨脹系數、高熱導率、高剛度等一系列優異特性。AlSiC的熱膨脹系數可以通過改變SiC的含量來加以調試，使其與相鄰材料的熱膨脹系數相匹配，從而將兩者的熱應力減至最小。

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，陶瓷基板在機械性質、電學性質、熱學性質具有以下特點：

（1）機械性能。機械強度，能用作為支持構件；加工性好，尺寸精度高；表面光滑，無微裂紋、彎曲等。

（2）熱學性質。導熱系數大，熱膨脹系數與Si和GaAs等芯片材料相匹配，耐熱性能良好。

（3）電學性質。介電常數低，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定，可靠性高。

（4）其他性質。化學穩定性好，無吸濕性；耐油、耐化學藥品；無毒、無公害、α射線放出量小；晶體結構穩定，在使用溫度范圍內不易發生變化；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，Al2O3的熱導率低，熱膨脹系數與芯片材料不匹配；BeO雖然具有優良的綜合性能，但生產成本較高和有劇毒。因此，從性能、成本和環保等方面考慮，這兩種基板材料均不能作為今后大功率LED器件發展最理想材料。氮化鋁陶瓷具有高熱導率、高強度、高電阻率、密度小、低介電常數、無毒、以及與Si相匹配的熱膨脹系數等優異性能，將逐步取代傳統大功率LED基板材料，成為今后最具發展前途的一種陶瓷基板材料。