嵌埋陶瓷基板散热的热阻问题分析

2020-05-23秦典成陈爱兵

中国材料进展 2020年4期

秦典成，陈爱兵

(乐健科技(珠海)有限公司，广东珠海 519180)

1 前言

随着LED技术的迅速发展，LED向大功率、轻型化与高光密发展的趋势已经日见明朗。与此同时，LED的散热问题也日益突出[1, 2]。合理的封装结构设计与散热连接材料是功率型LED获得理想散热效果的关键[3, 4]。在散热连接材料中，散热基板材料的导热性能对整个LED的使用寿命与性能稳定性有着不可忽视的影响[5]。目前，LED常用的散热基板材料以普通金属基板和陶瓷基板为主。普通金属基板为“三明治”结构，即“铜箔-绝缘层-金属基座”结构。其中，绝缘层是由聚合物基体添加导热填料制成，其导热系数虽较基体有较大的提升，但仍不能满足大功率LED的散热需求[6, 7]。陶瓷基板导热率较高，但因其表面金属化较为困难、脆性大、加工不易、成本偏高等因素而应用受限[8, 9]。

作者团队[10]论述了一种嵌埋陶瓷基板的制备方法及其可靠性与散热性，基本结构如图1所示。在其中陶瓷所在位置，利用表面贴装技术(SMT)将LED灯珠(芯片)与陶瓷表面焊盘进行连接，陶瓷仅起散热的作用。陶瓷与FR4基材通过层压技术，借助FR4基材中半固化片在温度升高时的流动性与粘接性实现复合，这样就实现了陶瓷的高导热率与FR4材料的易加工性(可在FR4材料上进行钻孔及成形加工)的有机结合，使得嵌埋陶瓷基板在具备高效导热特性的同时，机械加工成本也得到了大幅降低。

就嵌埋陶瓷基板而言，对于指定的陶瓷种类，陶瓷片的尺寸对基板的散热性能有着至关重要的影响。本文将从改变AlN陶瓷片尺寸出发，深入研究不同功率条件下，基板对LED结温变化的影响规律，以及陶瓷片尺寸及LED功率对基板总热阻的影响规律，以期为实际工程应用提供参考。

图1 嵌埋陶瓷基板结构示意图[10]Fig.1 Structural representation of ceramic embedded FR4 heat dissipation substrates[10]

2 实验

2.1 实验原材料与设备

实验原料：嵌埋陶瓷基板A(AlN尺寸为10 mm×10 mm×1.0 mm)、嵌埋陶瓷基板B(AlN尺寸为12 mm×12 mm×1.0 mm)、嵌埋陶瓷基板C(AlN尺寸为15 mm×15 mm×1.0 mm)，标记为A,B,C，各3片，LED灯珠，每种型号各3颗，具体如表1所示(AlN导热率均为170 W/(m·K))。

实验设备：结温测试仪、半导体制冷温控台、SMT贴片机。

2.2 实验过程

如图2所示，将表1中3种不同AlN尺寸的陶瓷嵌埋基板分别与3种不同的LED灯珠利用SMT工艺焊接组装成LED模组，然后依据EIA/JESD51-1及GBT 24824-2009标准，利用半导体制冷温控台将嵌埋陶瓷基板底部温度(Tb)恒定在(65±1)℃，接着利用结温测试仪在恒流1 A时对Ostar S2W型灯珠进行结温测试、在恒流2.5 A时对Ostar S2WN型灯珠进行结温测试、在恒流4.5 A时对Ostar S2WP型灯珠进行结温(Tj)测试。上述实验经3次测试后取平均值，并用LED结温与基板底部温度差Tj-Tb对基板的散热性能进行表征。

图2 待测结温的LED模组照片Fig.2 Digital photos of LED modules ready for junction temperature test

表1 LED结温测试实验明细

3 结果与讨论

图3是不同嵌埋AlN尺寸及灯珠的LED模组结温测试曲线。从图3中读取LED灯珠结温及嵌埋陶瓷基板底部温度，整理后如表2所示。从表2可知，当LED功率一定时，温度差值Tj-Tb随陶瓷片尺寸的增加而减小。如对于13 W的Ostar S2W灯珠，当陶瓷片尺寸分别为10 mm×10 mm×1.0 mm、12 mm×12 mm×1.0 mm及15 mm×15 mm×1.0 mm时，对应的Tj-Tb分别为31.56，27.4和26.24 ℃。显然，对于32 W的Ostar S2WN灯珠及60 W的Ostar S2WP灯珠，Tj-Tb也有相同的变化规律。

表2 LED结温测试结果

图3 AlN尺寸分别为10 mm×10 mm×1.0 mm、12 mm×12 mm×1.0 mm、15 mm×15 mm×1.0 mm时，LED模组结温测试曲线：(a～c)13W LED灯珠，(d～f)32 W LED灯珠，(g～i)60 W LED灯珠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]，材料的热阻由两部分组成：一个是在厚度方向的一维热阻，此热阻为一固定值；另一个是在水平面上的扩散热阻，与温度分布均匀性有关，温度分布越均匀或温度梯度越小，扩散热阻值就越小。在无机非金属材料中，热传导主要通过声子传播进行[14-17]。在陶瓷与FR4的接触面上，因二者的微观组织结构差异，加之界面处杂质较多，容易对声子的传播造成散射，热流无法全部穿越界面，从而会在界面处造成一个温度差,界面热阻的值可由界面温度差与流经界面热量的大小算得[18, 19]。当LED功率一定时，随着陶瓷片尺寸增加，陶瓷与FR4材料的接触面积也随之而变大，声子穿越界面的几率也随之增加，最终造成界面两侧的温度差减小，形成一个较小的温度梯度，温度分布较为均匀。较小的温度梯度会形成较小的扩散热阻，而较大的温度梯度会形成较大的扩散热阻，因此，陶瓷片尺寸的增大减小了散热基板的扩散热阻。同时，陶瓷片表面积增加也会减小一维热阻。因此，在一维热阻与扩散热阻同时减小的情况下，热量的传播更为有效，从而降低了LED的结温。

同样，随着LED功率的增大，当陶瓷片尺寸一定时，单位面积上所聚集的热量也随之而增加。由于陶瓷与FR4导热系数相差极大，声子在FR4一侧容易达到饱和。因此，即便陶瓷侧热量聚集造成声子密度增加，但多余的声子从陶瓷一侧跨越界面进入FR4的几率仍然比较小，加剧了水平方向上界面两侧温度分布的不均匀性，从而造成散热基板的扩散热阻也随之而增加。因此，当LED功率增加时，对于嵌埋同一尺寸陶瓷片的散热基板而言，其总热阻随之加大。当LED功率比较小时，增加嵌埋陶瓷片尺寸可取得较好的散热效果。而在LED功率较大时，即使增加嵌埋陶瓷片的尺寸，对LED结温的降低效果也将减弱。从表3中可以发现，随着LED功率增加，不同AlN尺寸对Tj-Tb的影响情况也不同。对于13 W的Ostar S2W灯珠，当陶瓷片尺寸为10 mm×10 mm×1.0 mm时，Tj-Tb为31.56 ℃。而当陶瓷片尺寸为15 mm×15 mm×1.0 mm时，Tj-Tb为26.24 ℃，前者比后者高出5.32 ℃；对于32 W的Ostar S2WN灯珠，当陶瓷片尺寸为10 mm×10 mm×1.0 mm时，Tj-Tb为45.87 ℃。而当陶瓷片尺寸为15 mm×15 mm×1.0 mm时，Tj-Tb为43.21 ℃，前者比后者高出2.66 ℃；对于60 W的Ostar S2WP灯珠，当陶瓷片尺寸为10 mm×10 mm×1.0 mm时，Tj-Tb为59.75 ℃。而当陶瓷片尺寸为15 mm×15 mm×1.0 mm时，Tj-Tb为57.89 ℃，前者比后者高出1.86 ℃。这说明在一定条件下，LED功率越小，陶瓷片尺寸增加对促进结温降低的效果就越显著。