嵌埋陶瓷基板散熱的熱阻問題分析

秦典成，陳愛兵

(樂健科技(珠海)有限公司，廣東 珠海 519180)

1 前 言

隨著LED技術的迅速發展，LED向大功率、輕型化與高光密發展的趨勢已經日見明朗。與此同時，LED的散熱問題也日益突出[1, 2]。合理的封裝結構設計與散熱連接材料是功率型LED獲得理想散熱效果的關鍵[3, 4]。在散熱連接材料中，散熱基板材料的導熱性能對整個LED的使用壽命與性能穩定性有著不可忽視的影響[5]。目前，LED常用的散熱基板材料以普通金屬基板和陶瓷基板為主。普通金屬基板為“三明治”結構，即“銅箔-絕緣層-金屬基座”結構。其中，絕緣層是由聚合物基體添加導熱填料制成，其導熱系數雖較基體有較大的提升，但仍不能滿足大功率LED的散熱需求[6, 7]。陶瓷基板導熱率較高，但因其表面金屬化較為困難、脆性大、加工不易、成本偏高等因素而應用受限[8, 9]。

作者團隊[10]論述了一種嵌埋陶瓷基板的制備方法及其可靠性與散熱性，基本結構如圖1所示。在其中陶瓷所在位置，利用表面貼裝技術(SMT)將LED燈珠(芯片)與陶瓷表面焊盤進行連接，陶瓷僅起散熱的作用。陶瓷與FR4基材通過層壓技術，借助FR4基材中半固化片在溫度升高時的流動性與粘接性實現復合，這樣就實現了陶瓷的高導熱率與FR4材料的易加工性(可在FR4材料上進行鉆孔及成形加工)的有機結合，使得嵌埋陶瓷基板在具備高效導熱特性的同時，機械加工成本也得到了大幅降低。

就嵌埋陶瓷基板而言，對于指定的陶瓷種類，陶瓷片的尺寸對基板的散熱性能有著至關重要的影響。本文將從改變AlN陶瓷片尺寸出發，深入研究不同功率條件下，基板對LED結溫變化的影響規律，以及陶瓷片尺寸及LED功率對基板總熱阻的影響規律，以期為實際工程應用提供參考。

圖1 嵌埋陶瓷基板結構示意圖[10]Fig.1 Structural representation of ceramic embedded FR4 heat dissipation substrates[10]

2 實 驗

2.1 實驗原材料與設備

實驗原料：嵌埋陶瓷基板A(AlN尺寸為10 mm×10 mm×1.0 mm)、嵌埋陶瓷基板B(AlN尺寸為12 mm×12 mm×1.0 mm)、嵌埋陶瓷基板C(AlN尺寸為15 mm×15 mm×1.0 mm)，標記為A,B,C，各3片，LED燈珠，每種型號各3顆，具體如表1所示(AlN導熱率均為170 W/(m·K))。

實驗設備：結溫測試儀、半導體制冷溫控臺、SMT貼片機。

2.2 實驗過程

如圖2所示，將表1中3種不同AlN尺寸的陶瓷嵌埋基板分別與3種不同的LED燈珠利用SMT工藝焊接組裝成LED模組，然后依據EIA/JESD51-1及GBT 24824-2009標準，利用半導體制冷溫控臺將嵌埋陶瓷基板底部溫度(Tb)恒定在(65±1)℃，接著利用結溫測試儀在恒流1 A時對Ostar S2W型燈珠進行結溫測試、在恒流2.5 A時對Ostar S2WN型燈珠進行結溫測試、在恒流4.5 A時對Ostar S2WP型燈珠進行結溫(Tj)測試。上述實驗經3次測試后取平均值，并用LED結溫與基板底部溫度差Tj-Tb對基板的散熱性能進行表征。

圖2 待測結溫的LED模組照片Fig.2 Digital photos of LED modules ready for junction temperature test

表1 LED結溫測試實驗明細

3 結果與討論

圖3是不同嵌埋AlN尺寸及燈珠的LED模組結溫測試曲線。從圖3中讀取LED燈珠結溫及嵌埋陶瓷基板底部溫度，整理后如表2所示。從表2可知，當LED功率一定時，溫度差值Tj-Tb隨陶瓷片尺寸的增加而減小。如對于13 W的Ostar S2W燈珠，當陶瓷片尺寸分別為10 mm×10 mm×1.0 mm、12 mm×12 mm×1.0 mm及15 mm×15 mm×1.0 mm時，對應的Tj-Tb分別為31.56，27.4和26.24 ℃。顯然，對于32 W的Ostar S2WN燈珠及60 W的Ostar S2WP燈珠，Tj-Tb也有相同的變化規律。

表2 LED結溫測試結果

圖3 AlN尺寸分別為10 mm×10 mm×1.0 mm、12 mm×12 mm×1.0 mm、15 mm×15 mm×1.0 mm時，LED模組結溫測試曲線：(a～c)13W LED燈珠，(d～f)32 W LED燈珠，(g～i)60 W LED燈珠Fig.3 LED junction temperature curves of LED modules when AlN block size are 10 mm×10 mm×1.0 mm, 12 mm×12 mm×1.0 mm and 15 mm×15 mm×1.0 mm, respectively: (a～c) 13 W LED, (d～f) 32 W LED, (g～i) 60 W LED

一般地[11-13]，材料的熱阻由兩部分組成：一個是在厚度方向的一維熱阻，此熱阻為一固定值；另一個是在水平面上的擴散熱阻，與溫度分布均勻性有關，溫度分布越均勻或溫度梯度越小，擴散熱阻值就越小。在無機非金屬材料中，熱傳導主要通過聲子傳播進行[14-17]。在陶瓷與FR4的接觸面上，因二者的微觀組織結構差異，加之界面處雜質較多，容易對聲子的傳播造成散射，熱流無法全部穿越界面，從而會在界面處造成一個溫度差,界面熱阻的值可由界面溫度差與流經界面熱量的大小算得[18, 19]。當LED功率一定時，隨著陶瓷片尺寸增加，陶瓷與FR4材料的接觸面積也隨之而變大，聲子穿越界面的幾率也隨之增加，最終造成界面兩側的溫度差減小，形成一個較小的溫度梯度，溫度分布較為均勻。較小的溫度梯度會形成較小的擴散熱阻，而較大的溫度梯度會形成較大的擴散熱阻，因此，陶瓷片尺寸的增大減小了散熱基板的擴散熱阻。同時，陶瓷片表面積增加也會減小一維熱阻。因此，在一維熱阻與擴散熱阻同時減小的情況下，熱量的傳播更為有效，從而降低了LED的結溫。

同樣，隨著LED功率的增大，當陶瓷片尺寸一定時，單位面積上所聚集的熱量也隨之而增加。由于陶瓷與FR4導熱系數相差極大，聲子在FR4一側容易達到飽和。因此，即便陶瓷側熱量聚集造成聲子密度增加，但多余的聲子從陶瓷一側跨越界面進入FR4的幾率仍然比較小，加劇了水平方向上界面兩側溫度分布的不均勻性，從而造成散熱基板的擴散熱阻也隨之而增加。因此，當LED功率增加時，對于嵌埋同一尺寸陶瓷片的散熱基板而言，其總熱阻隨之加大。當LED功率比較小時，增加嵌埋陶瓷片尺寸可取得較好的散熱效果。而在LED功率較大時，即使增加嵌埋陶瓷片的尺寸，對LED結溫的降低效果也將減弱。從表3中可以發現，隨著LED功率增加，不同AlN尺寸對Tj-Tb的影響情況也不同。對于13 W的Ostar S2W燈珠，當陶瓷片尺寸為10 mm×10 mm×1.0 mm時，Tj-Tb為31.56 ℃。而當陶瓷片尺寸為15 mm×15 mm×1.0 mm時，Tj-Tb為26.24 ℃，前者比后者高出5.32 ℃；對于32 W的Ostar S2WN燈珠，當陶瓷片尺寸為10 mm×10 mm×1.0 mm時，Tj-Tb為45.87 ℃。而當陶瓷片尺寸為15 mm×15 mm×1.0 mm時，Tj-Tb為43.21 ℃，前者比后者高出2.66 ℃；對于60 W的Ostar S2WP燈珠，當陶瓷片尺寸為10 mm×10 mm×1.0 mm時，Tj-Tb為59.75 ℃。而當陶瓷片尺寸為15 mm×15 mm×1.0 mm時，Tj-Tb為57.89 ℃，前者比后者高出1.86 ℃。這說明在一定條件下，LED功率越小，陶瓷片尺寸增加對促進結溫降低的效果就越顯著。

4 結 論

陶瓷片尺寸與LED功率對嵌埋陶瓷基板的散熱性能有著較大的影響。在一定條件下，陶瓷片尺寸越大，基板總熱阻就越小，對LED的散熱效果提升就越顯著；而LED功率越大，基板總熱阻也越大。相較于小功率條件，在LED功率較大時，增加陶瓷片尺寸對LED散熱的強化作用減弱。