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可用在大功率LED上的陶瓷基板有哪些?

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。

隨著國內(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。

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。

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。

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

下面介紹幾種材質(zhì)的陶瓷基板:

1)氧化鈹基板

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。

2)氧化鋁基板

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。

3)碳化硅基板

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。

4)氮化鋁基板

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,密度較小;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。


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