嵌埋陶瓷基板的白光LED散熱問題

秦典成，趙永新，陳愛兵

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

引言

近年來，隨著電子技術的迅速發展，功率化、輕型化與集成化已經成為包括LED在內的電子器件及設備的發展方向。與此同時，因功率化與集成化而導致散熱問題日漸突出，進而引發芯片結溫升高、器件壽命縮短、可靠性下降，甚至失效等一系列的問題，成為電子技術的進一步發展的阻礙。因此，如何對大功率電子器件進行高效的散熱管理，已經成為了當前的研究熱點[1-3]。

散熱基板是功率型電子器件及設備在工作過程中重要的散熱通道，其散熱性能的優劣將直接影響電子器件及設備的壽命及可靠性[4，5]。目前，常用的散熱基板主要有金屬基板和陶瓷基板兩種。金屬基板的金屬基座的導熱率雖說可高達400 W·m-1·K-1(如銅基座)，但其絕緣層的導熱率一般為2～8 W·m-1·K-1，二者之間相差太大，從而限制了其整體導熱率的提升。對于上百瓦特的芯片而言，普通金屬基板難以滿足其散熱要求[6，7]。陶瓷基板導熱率大(如AlN陶瓷導熱率在理論上可高達235 W·m-1·K-1)，能較好地滿足大功率電子器件及設備的散熱要求。但其制作工藝困難，對設備要求嚴苛，從而導致其成本居高不下，推廣應用受到了一定的限制[8，9]。

針對電子器件散熱問題日益突出的現狀，文獻[10]中介紹了一種散熱性能優異的嵌埋陶瓷基板。這種散熱基板將表面經金屬化的陶瓷塊(將大尺寸陶瓷片經激光切割或砂輪切割而成)局部嵌入FR4材料(環氧樹脂為基體、玻璃纖維布及銅箔為增強材料)，利用壓合工藝完成二者的復合，最后利用圖形轉移完成表面線路制作。這種散熱基板將陶瓷與FR4進行了較好地結合，使之不但具備FR4優異的可加工特性、絕緣性與耐熱性，而且兼有陶瓷高導熱性與低膨脹系數的優點。即AlN僅作為熱源(如LED芯片)的安放點，不參與電氣連接，而FR4則主要承擔電氣連接功能。這樣，一方面可在FR4材料上利用普通鉆機和鑼機進行機械加工，相比利用激光切割或砂輪對陶瓷切割具備巨大的成本優勢。另一方面，在利用陶瓷高導熱性與低膨脹系數的同時，又能利用FR4材料的包覆對陶瓷塊進行保護，杜絕了其在轉運加工過程中因脆性大而滋生裂紋而引發失效的風險。

目前對嵌埋陶瓷基板的研究主要集中在散熱性能方面，如與金屬基板散熱性能的對比研究，包括二者散熱差異機理的對比研究以及基于散熱差異對LED白光光學特性影響的對比研究，并取得了一定的進展。鑒于此，本文將從熱源功率入手，研究熱源功率大小對于嵌埋陶瓷基板導熱性能的影響規律，以期進一步充實嵌埋陶瓷基板散熱性能研究的廣度與深度。

1 實驗

1.1 實驗原料及儀器設備

原材料: MCPCB，其中金屬基為鋁基，導熱率為4 W·m-1·K-1；嵌埋陶瓷散熱基板(如圖1所示[10])，其中AlN 陶瓷尺寸為7 mm×7 mm×1.0 mm，導熱率為170 W·m-1·K-1，環氧樹脂導熱率為0.22 W·m-1·K-1，玻璃纖維布為FR4 基體的增強材料，導熱率極低；歐司朗OBF 1×3 LED(功率為9 W)、歐司朗OBF 1×4 LED(功率為12 W)、歐司朗OBF 1×5 LED(功率為15 W)。

圖1 嵌埋陶瓷基板的基本結構Fig.1 The basic structure of ceramic-embedded substrate

儀器設備: SMT貼片機、積分球系統(遠方2 m積分球&HAAS-2000光譜輻射計)、力茲LEDT-300B 結溫測試儀。

1.2 實驗過程

首先利用SMT貼片機將功率分別為6 W、9 W、12 W及15 W的歐司朗OBF 1×2 LED、OBF 1×3 LED、OBF 1×4 LED及 OBF 1×5 LED與相同外形尺寸的MCPCB及嵌埋陶瓷基板組裝成LED模組。其中，6 W的OBF 1×2 LED與MCPCB組裝成模組，編號為1#。9 W的OBF 1×3 LED、12 W的OBF 1×4 LED及15 W的OBF 1×5 LED與同一規格設計的嵌埋陶瓷基板組裝成模組(如圖2(a)～(d)所示)，編號分別為2#、3#、4#；其次，參照EIA/JESD51-1標準，設置環境溫度為(25±1) ℃。同時為避免LED 在點亮時燒毀，先將模組固定于散熱器之上，并記錄模組底部溫度Tb(如圖3(a)、(b)所示)，然后利用電壓法并借助結溫測試系統對LED 的結溫進行測試，并記錄LED結溫Tj，同時輸出結溫測試曲線(如圖3(c)所示)。注意，每個模組測試3次結溫后取均值用于后續熱阻計算；參照GB/T 24824—2009標準，設置環境溫度為(25±1) ℃，利用積分球系統對三種LED模組的總功率及光熱功率進行測量(如圖3(d)所示)，并根據二者的差值確定出模組的熱功率。最后，根據式(1)算出模組整體的熱阻[2]，并利用模組整體熱阻與LED實際熱阻的差值獲得嵌埋陶瓷基板在實際散熱過程中所表現出來的熱阻。

圖2 裝配不同LED的散熱基板及模組樣品Fig.2 Substrates mounted with different LEDs and their corresponding modules

圖3 LED模組結溫測試過程Fig.3 The process of LED junction temperature measurement

(1)

2 分析與討論

圖4(a)、(b)分別是1#～4#模組的結溫曲線，表1是結合圖4中的結溫測試曲線及積分球測試結果所得到的用于計算LED模組熱阻的相關指標數據及根據式(1)計算得到的對應模組的熱阻值。對比1#～4#模組的熱阻可知，使用MCPCB的1#模組的LED結溫及整體熱阻遠大于使用嵌埋陶瓷基板的模組。表2是環境溫度為25 ℃及正向電流為1 000 mA時4種LED的典型熱阻值范圍，結合表1與表2分析可知，1#模組所使用的MCPCB對應熱阻為8.63～8.93 ℃/W，2#模組所使用的嵌埋陶瓷基板對應熱阻為1.75～2.05 ℃/W，3#模組所使用的嵌埋陶瓷基板對應熱阻為1.34～1.54 ℃/W，4#模組所使用的嵌埋陶瓷基板對應熱阻為0.75～0.95 ℃/W，這充分說明嵌埋陶瓷基板較之普通的金屬基板更具散熱優勢。文獻[10]中指出，造成MCPCB與嵌埋陶瓷基板導熱性能差異的原因在于二者的結構以及水平面上的擴散熱阻。MCPCB由于絕緣層導熱系數較低，且垂直方向上的界面熱阻及水平方向上的擴散熱阻較嵌埋陶瓷基板大很多，使得自身的整體熱阻較嵌埋陶瓷基板的要大，最終表現為散熱性能遠遠不及嵌埋陶瓷基板。

圖4 LED模組結溫曲線Fig.4 The junction temperature curves of LED modules

表1 環境溫度為25 ℃及正向電流為1 000 mA時4種模組的光學、熱學性能指標及對應的模組熱阻Table 1 The optical and thermal properties of 4 LED modules under ambient temperature of 25 ℃ and forward current of 1 000 mA together with their corresponding thermal resistance

表2 環境溫度為25℃及正向電流為1 000 mA時4種LED的典型熱阻值范圍Table 2 The regular thermal resistance range of 4 LED under ambient temperature of 25 ℃and forward current of 1 000 mA

對比2#、3#、4#模組的的整體熱阻及對應嵌埋陶瓷基板的熱阻可知，在嵌埋陶瓷基板設計完全相同的情況下，LED的功率越大，對應的模組整體熱阻及基板熱阻越小。當實測LED功率分別為8.90 W、11.74 W及15.21 W的前提下，2#、3#、4#模組的整體熱阻分別為3.35 W、2.54 W及1.85 W，對應嵌埋陶瓷基板的熱阻為1.75～2.05 ℃/W、1.34～1.54 ℃/W及0.75～0.95 ℃/W，即同一嵌埋陶瓷基板的熱阻隨LED功率增大而呈現下降的趨勢。理論上而言，三款LED模組所用的嵌埋陶瓷基板因使用相同的設計，其整體熱阻應該保持一致。但實際測試結果卻表明，LED功率大時基板熱阻反而小。

由表3可知，功率越大的LED，其對應的尺寸也越大。在嵌埋陶瓷基板中，陶瓷片的尺寸為7 mm×7 mm×1.0 mm，這意味著所有LED都完全位于陶瓷片之上。據熱傳導理論可知[11-13]，當熱源面積較其所接觸的散熱材料面積小時，熱量會同時在垂直方向及水平方向上進行擴散傳導。熱量于垂直方向上在與熱源面積等大的區域內擴散所遇到的熱阻稱之為一維熱阻其計算方法如式(2)所示。熱量于水平方向上在與熱源面積等大的區域外擴散時所遇到的熱阻稱之為擴散熱阻，其計算方法如式(3)所示。因此，散熱基板的總熱阻由擴散熱阻和一維熱阻兩部分所組成。在垂直方向上，LED尺寸越大，與陶瓷片接觸的面積也就越大，則參與導熱的陶瓷越多，一維熱阻就越小，單位時間內經陶瓷傳播的熱量也就越多。根據LED結溫測試結果可知，不同功率下對應的結溫相差很小，這又從側面印證了一維熱阻較小時單位時間內經陶瓷傳播的熱量較多這一事實。

表3 利用嵌埋陶瓷基板散熱的LED幾何尺寸Table 3 The geometric dimensioningof LEDs using ceramic-embedded substrate for heat dissipation

(2)

式2中，R1代表材料的一維熱阻，L代表材料的長度，K為材料的導熱系數，A為材料的導熱面積。

(3)

式中，R2代表材料的擴散熱阻，T2-T1代表材料水平面上任意兩點的溫度差，P為流經上述兩點之間的熱量。

在水平方向上，因陶瓷與FR4均為非金屬材料，都依靠聲子進行熱傳導[14]，故在LED功率增加的情況下，由陶瓷經界面擴散至FR4材料中的聲子數量也會有所增加。這樣，功率較大的LED會有較多的熱量在水平方向上進行擴散。此外，據表3可知，三種不同功率的LED，在使用同一設計的基板進行散熱時，其結溫的差異較小，而LED功率較大時在水平方向上傳導的熱量增多，從而造成LED功率較大時水平方向上的溫度梯度變小。此時，根據式(3)可知，功率較大的LED，因散熱基板水平面溫度梯度較小，流經的熱量較多，其擴散熱阻越小。結合本文的實驗結果可知，對于相同設計的嵌埋陶瓷基板，其一維熱阻隨LED與散熱基板的接觸面積增大而減小，而擴散熱阻又隨LED功率的增大而減小，這使得最終在實際應用過程中其整體熱阻有所降低，表現出更好的散熱性能。

3 結論

本文對普通MCPCB與嵌埋陶瓷基板的散熱性能差異以及嵌埋陶瓷基板在裝配不同功率LED后的散熱性能差異進行了研究，得到了如下結論：

1)相同外形設計的普通MCPCB與嵌埋陶瓷基板相比，因其擴散熱阻與一維熱阻均較后者大，使得前者的整體熱阻較之后者高，與之對應的散熱性能也較后者遜色，即嵌埋陶瓷基板較之普通MCPCB具備較強的散熱優勢。

2)同一規格設計的嵌埋陶瓷基板，與熱源的接觸面積越大，參與導熱的陶瓷就越多，在實際工作過程中其垂直方向上的一維熱阻越小。同時，LED的功率越大，在水平面上發生擴散的熱量越多，且由結溫處至散熱基板邊沿的溫度梯度越小，散熱基板的擴散熱阻就越小，最終表現為同一基板的整體熱阻就越小，散熱性能最佳。