浅谈大功率LED热传导途径

近年来，LED 越来越多地被应用于普通照明，LED产业呈现爆发式增长并向大功率、高集成、密集化、小型化方向发展，LED 发光效率和使用寿命会随结温的增加而下降，所以散热问题成为大功率LED进一步发展的瓶颈，受到广泛的关注。

大功率LED热传导主要途径是：PN结——外延层——封装基板——外壳——空气，所以封装基板的选择对LED散热至关重要。陶瓷基板 (又称陶瓷电路板) 具有热导率高、耐热性好、热膨胀系数低、机械强度高、绝缘性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，在电子器件封装中得到广泛应用。

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陶瓷基板的优秀性能

陶瓷基板材料常见的主要有Al2O3、AIN、SiC、BN、BeO、Si3N4等，与其他基板材料相比，陶瓷基板在机械性质、电学性质、热学性质具有以下特点：

（1）机械性能。机械强度高，能用作为支持构件；加工性好，尺寸精度高；表面光滑，无微裂纹、弯曲等。

（2）热学性质。导热系数大，热膨胀系数与Si和GaAs等芯片材料相匹配，耐热性能良好。

（3）电学性质。介电常数低，介电损耗小，绝缘电阻及绝缘破坏电高，在高温、高湿度条件下性能稳定，可靠性高。

（4）其他性质。化学稳定性好，无吸湿性；耐油、耐化学药品；无毒、无公害、α射线放出量小；晶体结构稳定，在使用温度范围内不易发生变化；原材料资源丰富。

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常用的大功率LED陶瓷基板材料分类

陶瓷基板是以电子陶瓷为基底形成一个支撑底座的片状材料，如今已成为大功率 LED 的结构材料。

2.1、氧化铝（Al2O3）基板

氧化铝陶瓷是目前应用最广泛的陶瓷之一，不仅机械、热、电性能较好，而且化学稳定性高；另外，氧化铝原料来源丰富，工艺成熟，价格较低，还可以按照要求加工成各种不同形状，因此在大功率 LED 领域被大量应用。使用氧化铝陶瓷基板的LED最高温度低于使用玻璃基板的LED，表明应用氧化铝陶瓷基板LED综合性能较好。但由于其热导率相对较低 (99% 氧化铝热导率约为 30 W/(m·K)，热膨胀系数较高，一般应用在汽车电子、半导体照明、电气设备等领域。

2.2、氮化铝（AIN）基板

AlN陶瓷基板具有超高的导热率，是氧化铝陶瓷的8-10倍，实际生产的热导率也可高达 200 W/(m·K)，有利于LED 中热量散发，提高 LED 性能。

AlN陶瓷基板不仅有高热导率，其绝缘性也很好，应用于大功率LED时不需要绝缘处理，简化了工艺。氮化铝被公认为最具有发展潜力的大功率LED基板材料，但氮化铝没有天然形成的，需要人工制造，高成本的原料和工艺使得氮化铝陶瓷价格很高，这是制约氮化铝基板发展的主要问题。如果能大幅度降低原料成本、实现低温下致密化烧结并解决金属化问题，氮化铝陶瓷基板将会在大功率 LED 领域大面积应用指日可待。

2.3、氧化铍 (BeO) 基板

BeO 材料密度低，热导率高，具有良好的综合性能。但是，BeO 材料也存在一些不足：（1）BeO 陶瓷的热导率不稳定，其热导率随着温度的升高而降低；（2）BeO 粉体具有毒性，对环境容易产生污染；（3）BeO 陶瓷抗腐蚀性很强，但是能被 KOH、NaOH、含酸性氧化物的玻璃以及碱金属碳酸盐溶液等腐蚀，制备条件和工艺需严格把关。

但在某些大功率、高频半导体器件以及航空电子设备和卫星通讯中，为了追求高导热和理想高频特性，仍在采用 BeO 陶瓷基片。

2.4、碳化硅（SiC）基板

碳化硅单晶的热导率在室温可高达 270 W/(m·K），是良好的导热材料，而且其热膨胀系数与常用的LED 沉底材料蓝宝石的热膨胀系数接近，还具备高弹性模量和相对低密度的优点，SiC 的莫氏硬度为 9.75，机械强度高。综述以上优点，SiC 基板适合做大功率 LED 基板材料。

但是SiC 基板热导率在高温时会随着温度的升高明显下降，严重影响产品性能。另外，不良的绝缘耐压性也阻碍了其在 LED 领域中的发展；碳化硅的介电常数较高，会导致信号延迟，影响产品的可靠性。

综上，碳化硅陶瓷基板性能较好，降低成本、完善制备工艺是今后研究的重点方向。

2.5、氮化硅 ( Si3N4）基板

与其他陶瓷基板材料相比，氮化硅具有一系列独特的优势。Si3N4属于六方晶系，有α、β和γ三种晶相，其中α-Si3N4单晶体沿a轴和c轴的理论热导率分别为105W/m·K、225W/m·K;β-Si3N4单晶体沿a轴和c轴方向的理论热导率分别是170W/m·K、450W/m·K。同时氮化硅具有高强度、高硬度、高电阻率、良好的抗热震性、低介电损耗和低膨胀系数等特点，是一种理想的散热、封装和基板材料。制成的陶瓷基板具有非常好的理化性能、电气性能和机械性能；具有高导热系数，高电流载荷，容易满足第三代功率半导体器件的散热需求；并且热膨胀系数与大多数半导体材料匹配，因而使其器件的可靠性更优异。

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总结与发展

散热是功率型电子元器件发展过程中的关键技术问题。鉴于大功率、小尺寸、轻型化已经成为未来功率型电子元器件封装的发展趋势，陶瓷基板除了具有优异的导热特性之外，还具备较好的绝缘、耐热、耐压能力及与芯片良好的热匹配性能，已成为中、高端功率型电子元器件封装散热之首选。陶瓷基板在大功率 LED 应用还有提高，复合基板能充分运用陶瓷的高导热性和绝缘性，综合了各种材料的优点，是未来大功率 LED 基板发展的方向。

编辑：黄飞