陶瓷基板及钎焊技术对LED散热性能的影响

　　电子元件与材料陶瓷基板及钎焊技术对LED散热性能的影响钱斐，傅仁利，张鹏飞，方军，张宇（南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏南京210016）结构及其界面热阻分析。由于散热路径的缩短，LED芯片产生的热量可快速、有效地传递到外界，所以COB封装比SMT封装具有更低的LED结温，使LED器件具有更好的散热性能。

　　在COB封装中常用的散热基板有铝基板和陶瓷基板，铝基板由于具有一层低热导率的绝缘层（其热导率约为0.3W/（m，°C）），致使整个基板的热导率较低，而陶瓷基板本身具备较高的导热性能且是绝缘的，避免了低热导率绝缘层的存在，从而可以提高整体基板的导热性能。然而，正是由于陶瓷基板的绝缘特性，需要对其进行金属化处理并在其上实现电路层，致使陶瓷基板的制作成本远高于普通铝基板。采用本课题组研发的CU/AI2O3复合COB陶瓷基板，可以通过厚膜金属化工艺在氧化铝陶瓷基板的单面或双面实现覆铜金属化，不仅可以在氧化铝陶瓷基板上制备电路图层，而且还可以通过背面的金属化层实现COB基板与散热翅片的奸焊连接。

　　因此，该基板同时具有金属铜的高载流能力和AI2O3陶瓷的高导热性能，作为LED芯片的散热基板具有很大优势。

　　CU/AI2O3复合COB陶瓷基板利用厚膜法的金属化原理、通过烧结和还原工艺制备而成，主要由三层组成：Cu层、AI2O3层和Cu层，其结构示意图如所示。AI2O3层相当于铝基板的绝缘层，厚度为0.64mm，其热导率为17~40W/（m.C），远高于铝基板绝缘层的热导率，可以有效提高大功率LED芯片的散热。同时由于AI2O3有效控制着Cu/Al2O3复合COB陶瓷基板的热膨胀，Cu/Al2O3复合基板的热膨胀系数近似于Al2O3的热膨胀系数，这样可以大大降低芯片与基板因热膨胀系数不匹配而产生的热应力。而Cu层相当于铝基板的线路层，厚度为1015pm，金属铜层不仅可以承载高电流，更是热的良导体，可以为基板上的局部热点提供更好的散热条件，使集聚在芯片处的热量更快向周围传递，避免出现局部温度过高现象。

　　Cu/Al2O3复合COB陶瓷基板结构示意图Fig.2 1.2Cu/Al23复合COB陶瓷基板与散热翅片的钎焊连接在已有的LED封装结构中，LED散热基板与散热翅片的连接主要是通过导热膏连接，虽然导热膏可以在一定程度上减小散热基板与散热翅片的界面热阻，但随着LED逐渐向大功率方向发展，通过导热膏这种连接方式已无法满足实际应用的需要。奸焊技术已在LED封装中得到应用，并且优势突出，比如倒装结构芯片采用倒装焊技术在出光和散热性能方面都优越于传统的正装结构，其理论热阻值低可达1.34C/W，实际也可达到6~8C/W，同时出光效率提高了60左右。笔者创新性地将这一技术应用在LED散热基板与散热翅片的连接中，以此提高大功率LED的散热性能。

　　由于Cu/Al2O3复合COB陶瓷基板和铝散热翅片与奸焊奸料都不具有润湿性，无法直接奸焊。为了实现Cu/Al2O3复合COB陶瓷基板与铝散热翅片间的钎焊连接，必须对两者进行可奸焊性处理。金属Ni不仅能起到阻止焊料层扩散的作用，还具有很好的钎焊性能，在微电子领域得到广泛应用。目前化学镀镍技术已成熟应用在多个领域，并取得良好效果。笔者利用自制的化学镀镍工艺对Cu/Al2O3复合COB陶瓷基板和铝散热翅片分别进行了化学镀镍处理，经测试，化学镀镍处理后的Cu/Al2O3复合COB陶瓷基板和铝散热翅片具有良好的可奸焊性，进而成功实现两者的奸焊连接，所示为Cu/AOs复合COB陶瓷基板与铝散热翅片奸焊连接的实物照片。

　　Cu/Al23复合COB陶瓷基板与散热翅片的钎焊连接实物照片2钎焊连接对大功率LED散热性能的影响2.1对LED封装结构散热性能的影响笔者采用自制的热阻测试装置对导热膏连接和钎焊连接两种不同封装结构的散热效果进行测试，测试原理如所示，Cu/Al2O3复合COB陶瓷基板直接与加热平台接触，热源产生的热量通过基板向上传递，经过连接层（钎焊层或导热膏层）到达散热翅片，后由散热翅片将热量散发到空气中。热量经过连接层时，由于连接层存在一定热阻，所以在连接层上下就会有温差产生；如果连接层热阻不同，则连接层上下产生的温差也不同，热阻越小温差越小。本文测试中取连接层两端的散热基板侧面和散热翅片的底端为测试点，其温度分别用搡和A表示。

　　热电偶1川h（9，热由偶2测试时设置加热的高温度为60°C，每隔5s采集一次数据，用计算机分别记录的、搡的值，每种封装结构测试三个样品，然后取三个样品的平均值为。为了评价上述两种封装结构的散热性能，此处仍采用温差作为评价方法，差值越小说明散热性能越好。为了便于计算机计算模拟，对模拟的条件进行了一定的假设和定义：在封装结构中，热量的散失只是在散热翅片的侧面和底面进行；连接层（奸焊层或导热膏层）近似成具有一定厚度的薄膜，且长宽等同于散热基板的长宽；只在散热基板上表面施加一定热载荷；散热翅片与空气的热对流系数为10W/（m2 0，环境温度为25°C. 2.2.1恒温热载荷在封装结构模型的散热基板上表面施加60C恒温热载荷，通过模拟计算得到封装结构模型的温度场分布如所示，其中（a）为奸焊连接的封装结构模型的温度分布云图，（b）为导热膏连接的封装结构模型的温度分布云图。由可以看出，在散热基板温度分布相同的情况下，对于散热翅片温度分布而言，奸焊连接的温度明显高于导热膏连接的，由此说明奸焊连接可以更快地把散热基板的热量传递到散热翅片上，从而减少散热基板上热量的集聚，进而可以降低置于散热基板之上的LED芯片结温。

　　所示为不同封装结构模型的温度分布云图中低温度点的升温曲线，奸焊连接和导热膏连接时温度分布图中高温度与低温度的差值分别约为0.8，1.6C，由此也进一步说明在相同的热载荷下奸焊连接方式具有更快的热传导能力，散热性能更好，与，其中（a）为奸焊连接，（b）为导热膏连接。

　　由0可以得到，奸焊连接的基板温度明显低于导热膏连接基板的温度，与此同时，奸焊连接散热翅片的温度却明显高于导热膏连接散热翅片的温度。通过分析温度分布云图中高温度与低温度的差值可以得到，奸焊连接的温差为0.24C，导热膏连接的温差为0.409C，由此说明在施加相同热载荷下，奸焊连接具有更快的热传导能力，可以减少散热基板上热量的聚集。当继续增大热载荷时，接的温差已增加到1.635°C，而且随着热载荷的进一步增加，二者间的差距将继续增大，即奸焊连接和导热膏连接的封装结构的温差的差值继续增大。

　　这表明施加热载荷越大，奸焊连接的温差相比于导热膏连接的温差就越小，其散热能力也越强。因此，由模拟结果可以看出，奸焊连接技术更适合于大功率LED应用。

　　3结论采用奸焊技术成功实现Cu/Al23复合COB封装基板与散热翅片的奸焊连接，经。由1可以看到，热载荷增大到4W时，奸焊连接的温差增加到0.961C，而导热膏连1不同热载荷下钎焊连接和导热膏连接的封装结构温差变化曲线李华平，柴广跃，彭文达，等。大功率LED的封装及其散热基板研究。半导体光电，2007，28（1）：47-50.侯峰泽，杨道国，唐红雨，等。大功率集成封装白光LED模组的散热研究。电子元件与材料，2012，31（9）：63-67.兰海，邓种华，刘著光，等。LED的COB封装热仿真设计。发光学祁姝琪，丁申冬，郑鹏，等。COB封装对LED光学性能影响的研究。电子与封装，2012，12（3）：6-9.张淑芳，方亮，付光宗，等。导热涂层对LED散热性能的影响。半导体光电，2007，28（6）：793-796.龚莹。高散热基板材料的技术动态。覆铜板资讯，2012（5）：18-24.苏达，王德苗。大功率LED散热封装技术研究。照明工程学报，2007，18（2）：69-71.贾韦，宣天鹏。化学镀镍在微电子领域的应用及发展前景。稀有罗相尉。电子封装用铝基复合材料的钎焊研究。郑州：郑州大学，2010.（编辑：陈渝生）（上接第46页）（编辑：邓学敏）