哪些陶瓷基板被用在大功率LED上

LED散熱問題是LED大功率非常需要解決的問題，大功率LED有環(huán)保節(jié)能的需求。那么LED大功率都用到哪些陶瓷基板呢？

一，LED照明現(xiàn)狀和大功率LED需求

1，LED照明對(duì)環(huán)保節(jié)能需求

追求綠色能源經(jīng)濟(jì)的當(dāng)今，如何把握開發(fā)新能源已成為常態(tài)之事。在固態(tài)照明領(lǐng)域，白熾燈、熒光燈和高壓放電燈在過去幾十年里被人類社會(huì)普遍使用，但由于這些照明光源具有使用壽命短、耗能量大、不環(huán)保等缺點(diǎn)不能作為節(jié)能環(huán)保的照明光源。

LED ( light emitting diode ）即發(fā)光二極管，是一種利用半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，其通過電致發(fā)光，將電能直接轉(zhuǎn)化為光能的新型節(jié)能照明光源。

2，散熱問題是LED大功率的當(dāng)務(wù)之急

隨著國(guó)內(nèi)外LED行業(yè)向高效率、高密度、大功率等方向發(fā)展，開發(fā)性能優(yōu)越的散熱材料已成為解決LED散熱問題的當(dāng)務(wù)之急。

如果不解決好散熱問題，芯片內(nèi)部熱量的聚集會(huì)導(dǎo)致溫度不斷升高，易引起發(fā)光波長(zhǎng)漂移、熒光粉加速老化、出光效率下降和使用壽命縮短等一系列問題。

二，陶瓷基板能有效解決LED功率的散熱問題

      大功率LED所產(chǎn)生的熱量主要通過基板材料傳導(dǎo)到外殼而散發(fā)出去的，不同的基板材料，導(dǎo)熱性能各異。為使得LED結(jié)溫保持在較低溫度下，必須采用高熱導(dǎo)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。

1，不同散熱基板導(dǎo)熱系數(shù)不同，散熱功能不同。

常用的散熱基板材料包括硅、金屬（如鋁、銅）、陶瓷（氮化鋁、氧化鋁）和復(fù)合材料等。雖然金屬材料有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，但它與LED芯片襯底較高的熱失配難以滿足大功率LED封裝要求；而復(fù)合材料熱導(dǎo)率太低無法解決大功率LED散熱問題。

2，LED對(duì)散熱基板提出更高的要求

散熱基板作為熱流的主要通路在高功率LED的封裝應(yīng)用中是必不可少的，它對(duì)于提高器件的散熱效率、降低結(jié)溫、提高器件的可靠度和壽命起著十分重要的作用。

LED 散熱基板的作用是吸收芯片產(chǎn)生的熱，并傳導(dǎo)至熱沉上，從而實(shí)現(xiàn)與芯片外界的熱交換。

因此，作為LED的理想散熱基板必須在物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)方面具有以下幾個(gè)特性：

1）良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性

2）高的熱導(dǎo)率，熱膨脹系數(shù)與芯片材料相匹配

3）低的介電常數(shù)和介電損耗

4）電絕緣性好，并具有很高的機(jī)械強(qiáng)度

5）價(jià)格低廉、易加工

6）密度小、無毒

3，分析哪些陶瓷基板在LED大功率中的應(yīng)用

1）氧化鈹陶瓷基板

具有高硬度和強(qiáng)度的優(yōu)異熱導(dǎo)體，這種材質(zhì)的基板導(dǎo)熱率是氧化鋁基板的十幾倍，適用于大功率電路，并且介電常數(shù)又低，還可用于高頻電路，但是成本較高，氧化鈹粉末及其蒸汽對(duì)人體有害，存在環(huán)境問題。不適合目前LED環(huán)保節(jié)能的需要。

2）氧化鋁陶瓷基板

氧化鋁是在所有使用陶瓷基板中價(jià)格較低、綜合性能與作為基板材料使用最多的材料。氧化鋁陶瓷的玻璃成分一般由二氧化硅和其他氧化物組成，玻璃含量可由高變低，因?yàn)椴ＡУ膶?dǎo)熱性差，因此玻璃含量高的陶瓷導(dǎo)熱性在制造高密度、大功率電路時(shí)需要格外注意，氧化鋁原材料與加工成品的匹配性需嚴(yán)格控制。大功率LED需要導(dǎo)熱率高，純度高、電流承載力高的陶瓷基板來做。氧化鋁陶瓷基板不太適合大功率LED照明。

3）碳化硅陶瓷基板

碳化硅的硬度僅次于金剛石，高純度單晶體的導(dǎo)熱率也僅次于金剛石。與其他材料相比，其熱擴(kuò)散系數(shù)很大，甚至比銅還大，且熱膨脹系數(shù)與硅接近。室溫下熱導(dǎo)率比鋁高，可達(dá)氧化鋁基板的20倍以上，但熱導(dǎo)率會(huì)隨溫度的升高明顯下降。與氧化鋁相比，其介電常數(shù)高，絕緣耐壓性差。因此不太適合LED大功率照明。

4）氮化鋁陶瓷基板

氮化鋁陶瓷作為一種具有高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度、高電阻率、密度小、低介電常數(shù)、無毒、以及與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能的材料，具備良好的絕緣和機(jī)械性能，在高頻電信、LED照明、新能源汽車、高鐵、風(fēng)能和光伏發(fā)電等新興領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用逐漸普及。

氮化鋁與氧化鋁不同，在自然界沒有天然形成，需要人工制備氮化鋁。這使得AlN材料制作工藝比較復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，且目前大部分國(guó)產(chǎn)AlN材料制作尚且達(dá)不到高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度的應(yīng)用研究。

5）鋁碳化硅陶瓷基板（AI/SiC）

近年來，鋁碳化硅基板（AI/SiC）由于具有原料成本低、導(dǎo)熱高、密度低、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而越來越受到人們的關(guān)注。SiC 顆粒的熱膨脹系數(shù)與LED芯片襯底的熱膨脹系數(shù)相近，且彈性模量高，密度較??；同時(shí)鋁的高導(dǎo)熱、低密度、低成本和易加工等特點(diǎn)，使其用作基板材料時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此，兩種材料復(fù)合得到的鋁碳化硅基板綜合性能優(yōu)良，可應(yīng)用于大功率LED基板。

綜上可知，氮化鋁陶瓷基板以及鋁碳化硅陶瓷基板的優(yōu)勢(shì)和性能更加符合大功率LED的需求，因此這兩種陶瓷基板比較適合大功率LED半導(dǎo)體照明。更多led陶瓷基板相關(guān)問題可以咨詢金瑞欣特種電路。

參考文獻(xiàn)：

《氮化鋁陶瓷基板在高功率LED中應(yīng)用研究》——王新中，劉文，鮑鋒輝

《大功率LED氮化鋁陶瓷散熱基板的制備》——齊維靖

《氮化鋁陶瓷基板制備工藝的研究》——邱基華

《比較幾種大功率LED封裝基板材料》——趙贊良，唐政維，蔡雪梅，李秋俊，張憲力