嵌埋陶瓷散熱基板對白光LED性能的影響

秦典成， 陳愛兵， 肖永龍

(1. 廣東省LED封裝散熱基板工程技術(shù)研究中心， 廣東 珠海 519180; 2. 樂健科技(珠海)有限公司， 廣東 珠海 519180)

1 引 言

LED以其節(jié)能、環(huán)保、高效、穩(wěn)定及耐用等傳統(tǒng)照明燈具所無法比擬的優(yōu)勢，逐漸成為人們所關(guān)注的焦點(diǎn)，各國政府也將大力發(fā)展LED照明產(chǎn)業(yè)提上日程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2017年，LED的市場的復(fù)合年增長率將達(dá)到12%，顯示出蓬勃的市場活力[1-2]。盡管如此，但隨著LED封裝尺寸的不斷減小，芯片功率的不斷增大，其散熱問題則日益突出[3-4]。如果散熱不良，LED芯片在工作過程中所產(chǎn)生的熱量將會在LED內(nèi)部聚集，致使結(jié)溫升高，最終導(dǎo)致LED的光電特性、可靠性與穩(wěn)定性惡化[5-7]。

散熱基板作為LED封裝不可或缺的重要組成部分，是散熱的重要通道，其導(dǎo)熱性能的好壞將對LED的綜合性能造成直接影響。好的散熱基板材料除了具備較高的導(dǎo)熱系數(shù)之外，還應(yīng)擁有與芯片相匹配的熱膨脹系數(shù)，以免在使用過程中因冷熱交替而造成失效[8]。目前，用于LED封裝的散熱基板主要有金屬基板(Metal core printed circuit board,MCPCB)和陶瓷基板兩種。普通的MCPCB因絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)過低而使得自身整體導(dǎo)熱率不高，無法滿足10 W以上大功率LED的散熱需求[9-10]。陶瓷材料(AlN、Al2O3、SiC、Si3N4等)雖然具有較高的導(dǎo)熱率、優(yōu)異的絕緣與耐壓性能、以及較低的熱膨脹系數(shù)而漸漸成為散熱領(lǐng)域的新興基板材料[11-12]，但是，陶瓷因脆性大、加工成本高、對設(shè)備要求高，使得其應(yīng)用受到了一定的限制[13-14]。鑒于此，本文論述了一種具備高導(dǎo)熱系數(shù)的陶瓷嵌埋基板，用于對大功率LED進(jìn)行散熱管理。嵌埋陶瓷基板利用價格低廉、可加工性能好、熱穩(wěn)定性高、絕緣耐壓性能優(yōu)良、受熱受壓時具備較好流動性的FR4材料(銅箔+環(huán)氧樹脂+玻璃纖維布)為基體[15]，將表面經(jīng)PVD鍍銅后的AlN陶瓷塊作為增強(qiáng)材料局部嵌入基體材料中，然后在一定的溫度下施加一定的壓力，迫使FR4材料中的環(huán)氧樹脂在粘流態(tài)下發(fā)生流動，填充陶瓷與基體之間的間隙，并完成二者的復(fù)合。FR4材料因具備良好的機(jī)械加工性能與低成本特性，可以節(jié)省陶瓷激光切割而產(chǎn)生的高昂費(fèi)用。而陶瓷則作為熱源的安放點(diǎn)，一方面可對系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行高效傳導(dǎo)，另一方面受FR4材料保護(hù)，避免了在加工和轉(zhuǎn)運(yùn)過程中易碎的缺點(diǎn)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器設(shè)備

原材料:嵌埋陶瓷散熱基板，其中AlN陶瓷尺寸為10 mm×10 mm×1.5 mm，導(dǎo)熱率為170 W/(m·K)，環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱率為0.22 W/(m·K)，玻璃纖維布為FR4基體的增強(qiáng)材料，導(dǎo)熱率極低(圖1(a)所示)；歐司朗OBF 1×5 LED，功率為15 W(圖1(b)所示)；普通MCPCB，導(dǎo)熱率為2 W/(m·K)；功率為30 W，裝配嵌埋陶瓷基板的遠(yuǎn)近一體LED車燈光源(圖1(c)所示)。

儀器設(shè)備:SMT貼片機(jī)、積分球系統(tǒng)(遠(yuǎn)方2 m積分球&HAAS-2000光譜輻射計(jì))、力茲LEDT-300B結(jié)溫測試儀、CJ-S3冷熱沖擊試驗(yàn)箱、散熱器、SEM、Omega T型熱電偶(精度為0.75%)等。

圖1 實(shí)驗(yàn)所需的原材料。(a)陶瓷嵌埋散熱基板；(b)LED模組實(shí)物；(c)LED車燈光源實(shí)物。

Fig.1 Raw materials necessary for experiment. (a) Ceramic-embedded heat dissipation substrate. (b) LED module. (c) LED automobile lamp.

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

利用SMT貼片機(jī)將OBF 1×5 LED燈珠與MCPCB及嵌埋陶瓷基板分別進(jìn)行焊接制作成LED模組。如圖2所示，參照EIA/JESD51-1標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境溫度設(shè)置為(25±1) ℃。為避免LED在點(diǎn)亮?xí)r燒毀，先將模組固定于散熱器之上，然后利用電壓法借助結(jié)溫測試系統(tǒng)對LED的結(jié)溫進(jìn)行測試，并利用熱電偶對LED的引腳溫度、散熱器表面溫度進(jìn)行測試，圖中紅色箭頭指向即為熱電偶的測試點(diǎn)。參照GBT 24824-2009標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置環(huán)境溫度為(25±1) ℃，利用積分球系統(tǒng)對LED模組的光學(xué)性能(光通量、光功率、光效、峰值波長、主波長、色溫等)進(jìn)行表征。參照GB7000.1-2007標(biāo)準(zhǔn)及IEC 60068相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)環(huán)境溫度為(65±1) ℃時，設(shè)置工作時間為6 000 h，每500 h利用積分球系統(tǒng)對LED車燈光源進(jìn)行光衰測試。參照J(rèn)ESD22-A104D標(biāo)準(zhǔn)，將上述LED汽車燈置于CJ-S3型熱沖擊試驗(yàn)箱內(nèi)，使樣品在-55 ℃下停留15 min，然后以15 ℃/min的速率使溫度升高至125 ℃并停留15 min。如此循環(huán)1 000次后，通過點(diǎn)亮試驗(yàn)檢查LED車燈光源工作狀態(tài)。同時制作LED車燈的橫截面切片，利用SEM觀察FR4與AlN陶瓷的界面形貌，并根據(jù)測試結(jié)果判定嵌埋陶瓷基板對LED車燈光源工作可靠性與穩(wěn)定性的影響情況。

圖2 LED模組結(jié)溫測試。(a)使用陶瓷嵌埋散熱基板的LED模組；(b)使用普通MCPCB的LED模組。

Fig.2 Junction temperature test of LED module.(a) Ceramic-embedded heat dissipation substrate equipped.(b) Regular MCPCB equipped.

3 分析與討論

圖3(a)、(b)分別是使用兩種不同散熱基板材料的LED模組的燈珠結(jié)溫、燈珠引腳及散熱器表面的溫度曲線，表1是根據(jù)圖3(a)、(b)所獲取的各測溫點(diǎn)的溫度值。結(jié)合圖3與表1可以看出，在使用導(dǎo)熱率為2 W/(m·K)的MCPCB與嵌埋陶瓷基板同時對15 W OBF 1×5 LED進(jìn)行散熱時，LED的引腳溫度與散熱器的表面溫度均相差不大，而前者LED初始結(jié)溫和穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)溫都明顯高于后者，這間接說明MCPCB的導(dǎo)熱率要低于嵌埋陶瓷基板。有研究指出[16-18]，當(dāng)熱源面積比散熱基板面積小時，一部分熱量會沿著水平面發(fā)生擴(kuò)散，由此而產(chǎn)生一個擴(kuò)散熱阻，其大小為兩點(diǎn)溫度梯度與流過熱量的大小之比值。因此，材料的總熱阻由材料厚度方向的一維熱阻和水平面上的擴(kuò)散熱阻所組成。當(dāng)使用普通MCPCB作為LED的散熱基板時，因絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱量在水平面上容易聚集，不易擴(kuò)散，因而在水平面上會產(chǎn)生一個較大的溫度梯度，根據(jù)擴(kuò)散熱阻計(jì)算公式可知，此時的擴(kuò)散熱阻很大；而在材料的厚度方向上，熱量必須經(jīng)過銅箔-導(dǎo)熱絕緣層-金屬基座依次向下傳導(dǎo)。而在層與層之間，不同材料間會存在一個界面熱阻并阻礙熱流的運(yùn)動[19]。因金屬導(dǎo)熱以自由電子的運(yùn)動和晶格整動(聲子傳播)的方式同時進(jìn)行，但絕緣層屬于非金屬材料，電子無法進(jìn)入其中，且對聲子的接受或輸出能力有限[20]，所以銅箔與絕緣層之間、絕緣層與金屬基座之間主要依靠聲子進(jìn)行熱傳導(dǎo)[21]，這樣就在材料的厚度方向上會產(chǎn)生一個較大的一維熱阻。鑒于普通金屬基板的擴(kuò)散熱阻和一維熱阻均較大，因此其導(dǎo)熱率難以得到有效提升。而嵌埋陶瓷基板則不同，陶瓷片自身擁有較高的導(dǎo)熱率，雖然FR4自身導(dǎo)熱率極低，在二者的界面上也存在界面熱阻，但陶瓷與FR4之間完全依靠聲子進(jìn)行熱傳導(dǎo)，聲子跨越FR4/AlN界面的幾率較跨越金屬/導(dǎo)熱絕緣層的概率要大。因此，在水平方向上，熱量聚集程度有所降低，較之MCPCB可形成一個較為平緩的溫度梯度。根據(jù)擴(kuò)散熱阻計(jì)算公式可知，此時的擴(kuò)散熱阻較MCPCB水平方向上的要小一些。在嵌埋陶瓷基板的厚度方向上，因陶瓷/FR4界面熱阻的存在，大部分熱量被限制在陶瓷片范圍之內(nèi)，只能沿著陶瓷厚度方向傳導(dǎo)，而陶瓷本身又具備極高的導(dǎo)熱率，一維熱阻較小，為熱量的傳播提供了有利的通道。因此，嵌埋陶瓷基板因總熱阻較小，較之MCPCB更具散熱優(yōu)勢，具備較好的散熱性能。

由以上分析可知，因MCPCB導(dǎo)熱率較低，在點(diǎn)亮過程中隨著點(diǎn)亮?xí)r間的延長，LED所產(chǎn)生的熱量難以快速擴(kuò)散至散熱器并通過散熱器擴(kuò)散至周圍環(huán)境中，在其內(nèi)部聚集，致使其PN結(jié)溫度上升。而嵌埋陶瓷基板因?qū)嵯禂?shù)較高，在對LED進(jìn)行散熱時，大部分熱量則可以沿著陶瓷厚度方向擴(kuò)散至散熱器表面，再通過散熱器擴(kuò)散至周圍環(huán)境，從而極大地降低了LED的PN結(jié)溫度。

圖3 LED模組不同部位溫度測試曲線。(a)使用普通MCPCB的LED模組；(b)使用陶瓷嵌埋散熱基板的LED模組。

Fig.3 Temperature test of different part of LED module. (a) Regular MCPCB equipped. (b) Ceramic-embedded heat dissipation substrate equipped.

表1 LED模組不同部位溫度值

圖4(a)、(b)分別是使用兩種不同散熱基板材料的白光LED模組的相對光譜與色品坐標(biāo)圖，表2與表3分別是15 W OBF 1×5 LED在結(jié)溫為25 ℃時的初始光學(xué)性能的特征值以及在室溫為(25±1) ℃時根據(jù)積分球系統(tǒng)所獲取的LED的光學(xué)性能的特征值。結(jié)合圖4及表2和表3可知，較之使用MCPCB，當(dāng)LED使用嵌埋陶瓷基板進(jìn)行散熱時，因結(jié)溫有所降低，增加了藍(lán)光芯片的輻射復(fù)合效率，從而提升了電光轉(zhuǎn)換效率，增加了藍(lán)光輻射。同時由于LED藍(lán)光芯片結(jié)溫降低，位于其上方的熒光粉層的溫度也會有所降低，熒光粉的熒光效率也會升高，因此LED的光通量、輻射通量與光通量光效均有所提升[22-24]。對比兩種情況下LED的主波長、色溫與峰值波長可以發(fā)現(xiàn)，使用嵌埋陶瓷基板時，LED的主波長增加了24.7 nm，色溫下降了598 K，峰值波長藍(lán)移了0.8 nm。這是由于結(jié)溫越低色溫也就越低，偏向于暖色[25-27]。而主波長所對應(yīng)的光為肉眼可見光，主波長增大意味著白光LED所發(fā)出的主要可見光波長變大，呈現(xiàn)暖色，這與LED色溫降低是一致的。在使用導(dǎo)熱率較低的MCPCB時，因LED散熱受阻，伴隨著結(jié)溫升高，電子在晶體中的共有化運(yùn)動加快，能級分裂愈加嚴(yán)重，致使禁帶寬度Eg變小。根據(jù)波長公式λ=1240/Eg可知，此時峰值波長會向長波長方向發(fā)生移動，即所謂的波長紅移現(xiàn)象[28-29]。因此，相比于MCPCB，在使用嵌埋陶瓷基板時，LED的峰值波長有所藍(lán)移。因白光LED主要是通過在藍(lán)光芯片上敷涂可發(fā)黃光的熒光粉，利用藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出黃光，然后藍(lán)光與黃光混合后得到白光[30]，所以峰值波長仍是芯片發(fā)出的藍(lán)光的峰值波長。結(jié)合結(jié)溫測試結(jié)果可知，當(dāng)LED達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時，LED在使用MCPCB散熱時的結(jié)溫較之使用嵌埋陶瓷基板時的結(jié)溫要高出38.51 ℃，而此時LED峰值波長的差值為0.8 nm，據(jù)此可以得出結(jié)溫升高引起的波長漂移的平均溫度系數(shù)為0.020 77 nm/℃，這一結(jié)果與文獻(xiàn)[31]報道的熱效應(yīng)引起的峰值波長的平均溫度系數(shù)為0.028 57～0.039 29 nm/K接近。

因白光LED主要由芯片、熒光粉和固晶膠、封裝膠等有機(jī)材料所組成，所以白光LED的光衰程度與這三個因素直接相關(guān)[32]。如前所述，結(jié)溫升高會降低藍(lán)光芯片的輻射復(fù)合效率，從而降低電光轉(zhuǎn)換效率。而熒光粉在過高溫度條件下會加速與周圍的其他化學(xué)元素發(fā)生反應(yīng)，致使自身結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而導(dǎo)致性能惡化。而封裝用的有機(jī)材料因大多由高分子所組成，在高溫和短波長射線的影響下分子鏈容易發(fā)生斷裂，最終導(dǎo)致其透光性受損甚至失效[33]。表4是LED車燈光源的光衰測試數(shù)據(jù)。從表中可以看出，在(65±2) ℃的環(huán)境溫度下，LED車燈光源經(jīng)過6 000 h之后，近光燈光通量衰減率僅為3.53%，而遠(yuǎn)光燈光通量幾乎無衰減。這進(jìn)一步說明，嵌埋陶瓷散熱基板在LED汽車燈的散熱環(huán)節(jié)中發(fā)揮著重要的作用，能夠?qū)ED芯片所產(chǎn)生的熱量迅速向外部熱沉進(jìn)行了擴(kuò)散，使其結(jié)溫保持在一個較低的水平，有效放緩了白光LED的光衰速率。

圖4 LED模組相對光譜與色品圖。(a)使用普通MCPCB的LED模組；(b)使用陶瓷嵌埋散熱基板的LED模組。

Fig.4 Spectrum chromaticity diagram and chromaticity diagram of LED modules. (a) Regular MCPCB equipped. (b) Ceramic-embedded heat dissipation substrate equipped.

表2 結(jié)溫為(25±1) ℃時OBF 1×5 LED的初始光學(xué)特征

表3 室溫為(25±1) ℃時OBF 1×5 LED光學(xué)性能的實(shí)測特征值

在LED的點(diǎn)亮過程中，會因環(huán)境溫度的變化而發(fā)生熱脹冷縮的現(xiàn)象。因FR4材料的熱膨脹系數(shù)較之AlN陶瓷要高出許多，因此在受熱或冷卻過程中可能會因熱應(yīng)力過大而發(fā)生界面的分離現(xiàn)象[34-35]。鑒于嵌埋陶瓷基板由兩種物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)完全不同的材料復(fù)合而成，其界面的結(jié)合強(qiáng)度決定著白光LED的工作穩(wěn)定性及使用壽命。前文已經(jīng)述及，在一定的溫度和壓力下，F(xiàn)R4材料中的環(huán)氧樹脂會由固態(tài)向粘流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，并經(jīng)流動后填充AlN陶瓷與FR4材料的間隙。因此過程完全屬于物理過程，無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，環(huán)氧樹脂與陶瓷之間完全靠物理吸附發(fā)生結(jié)合。粘流態(tài)下的環(huán)氧樹脂如不能對AlN陶瓷表面產(chǎn)生良好的潤濕作用，那么二者之間的結(jié)合強(qiáng)度將會受到很大的影響，界面容易發(fā)生分離。圖5(a)、(b)是經(jīng)熱沖擊及熱沖擊過后LED車燈光源的點(diǎn)亮測試結(jié)果。從圖中可以看出，LED汽車燈光源在-55～125 ℃溫度條件下經(jīng)歷1 000次冷熱沖擊循環(huán)之后，LED車燈光源仍然能夠正常工作。圖5(c)、(d)是冷熱沖擊過后LED光源模組的橫截面切片圖。從圖中可以看出，基板的FR4材料與AlN陶瓷之間以及LED燈珠與基板焊盤之間均結(jié)合完好，無分層現(xiàn)象發(fā)生。這說明嵌埋陶瓷基板中的環(huán)氧樹脂在一定的溫度和壓力下能夠?qū)μ沾杀砻娈a(chǎn)生有效的潤濕行為，賦予界面較好的結(jié)合強(qiáng)度，并且這一結(jié)合力要大于材料因熱脹冷縮而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。結(jié)合光衰試驗(yàn)結(jié)果，上述現(xiàn)象不僅說明了嵌埋陶瓷基板中FR4/AlN界面極佳的結(jié)合力與可靠性，還進(jìn)一步論證了嵌埋陶瓷基板所能賦予LED的優(yōu)異的綜合特性。

表4環(huán)境溫度為(65±2) ℃時LED車燈光源的光衰情況

Tab.4 Light failure of LED automobile lamp when ambient temperature is (65±2) ℃ after 6 000 h lighting

光通量時間/h 近光/lm維持率/%遠(yuǎn)光/lm維持率/%01138.21002 379.51005001 147.6100.832 410.8101.311 0001 149.3100.982 411.3101.343 0001 146.9100.762 414.2101.464 0001 151.7101.192 428.9102.086 0001 098.096.472 405.2100.08

圖5 LED車燈光源冷熱沖擊及點(diǎn)亮測試。(a)冷熱沖擊過程;(b)冷熱沖擊后點(diǎn)亮;(c)冷熱沖擊后基板橫截面切片;(d)冷熱沖擊后LED與陶瓷橫截面切片。

Fig.5 Thermal shock test of LED automobile lamp and lighting after thermal shock. (a) Thermal shock test. (b) Lighting after thermal shock. (c) Cross-section of substrate after thermal shock. (d) Cross-section of LED and ceramic after thermal shock.

4 結(jié) 論

嵌埋陶瓷基板充分利用了陶瓷的高導(dǎo)熱特性，兼顧FR4材料優(yōu)異的加工性能，利用合理的嵌埋工藝，可獲得結(jié)合力良好的界面，在一定條件下完全可以克服因環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。與現(xiàn)行的MCPCB相比，嵌埋陶瓷基板一維熱阻和擴(kuò)散熱阻均較小，使得其更具散熱優(yōu)勢，能有效地降低LED的結(jié)溫，增加藍(lán)光芯片的復(fù)合輻射效率及熒光粉的熒光效率，有效改善白光LED的光學(xué)特性，并賦予LED車燈光源優(yōu)異的綜合特性。