中心議題：

• 氧化鋁基板封裝在熱阻的表現
• 硅基LED板封裝在熱阻的表現

圖1為目前高功率LED封裝使用的結構， LED芯片會先封裝在導熱基板上，再打金線及封膠，這LED封裝結構體具備輕巧，高熱導及電路簡單等優點，可應用在戶外及室內照明。基板的選擇中，氧化鋁 (Al2O3) 及硅 (Si) 都是目前市面上已在應用的材料，其中氧化鋁基板因是絕緣體，必須有傳導熱設計，藉由電鍍增厚銅層達75um；而硅是優良導熱體，但絕緣性不良，必須在表面做絕緣處理。
                            
                                                                 圖 1  LED封裝結構

氧化鋁基板及硅基板目前皆已應用于高功率LED的封裝，由于LED發光效率仍有待提升，熱仍是使用LED燈具上必須解決的重要問題，因此LED導熱功能必須仔細分析。要分析導熱功能必須使用熱阻儀來量測，以下的分析將細分LED封裝體結構，包括芯片層，接合層及基板層，來分析每層熱阻，分析工具則是目前世界公認最精確的T3Ster儀器。

本文將簡單解析氧化鋁基板及硅基LED板封裝在熱阻的表現 (T3Ster儀器實測)，其中專有名詞定義如下：

Rth: 熱阻，單位是 (℃/W)，公式為T / KA；
T: 導熱基板的厚度 (um)；
K: 導熱基板的導熱系數 (W/mC)；
A: 導熱面積 (mm x mm)。
                      
                                               圖 2  E公司氧化鋁基板的LED封裝熱阻分析

將氧化鋁應用在LED封裝主要是因為氧化鋁材料高絕緣性及可制作輕小的組件， 然而，氧化鋁基板應用在電子組件，會因為氧化鋁材料導熱系數低(約 20K/W)，造成高熱阻。圖2為T3Ster 熱阻儀測試E公司氧化鋁基板封裝 LED( LED area: 1 x 1 mm; LED emitter: 3.15x3.5 mm)) 的結果，在25℃環境溫度下測試時，各封裝層的熱阻如下：

1.      Chip: 2 ℃/W
2.      Bonding layer : 3 ℃/W
3.      氧化鋁基板: 20 ℃/W (高熱阻, 基板制作不佳)

當175mA小電流通入在1 x 1 mm² 的LED芯片上，氧化鋁基板因熱阻的溫升為10.5℃(=20x175mAx3.0V), 熱不易傳導出LED芯片；當350mA電流通入在1 x 1 mm² 的LED芯片上， 氧化鋁基板因熱阻的溫升為23℃(=20 x 350mAx3.3 V)，此時氧化鋁基板會無法將熱傳導出LED芯片，LED芯片會產生大量光衰; 而當 500 mA大電流通入在1 x 1 mm² 的LED芯片上時，氧化鋁基板因熱阻的溫升大約為36℃(20 x (500 Ax3.6 V)，此時氧化鋁基板也會無法將熱傳導出LED芯片，LED芯片會快速光衰。因此，LED芯片封裝若選擇氧化鋁基板，因其熱阻高，封裝組件只適合使用在低功率 (~ 175 mA， 約0.5W)。
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                                                    圖 3  R公司氧化鋁基板的LED封裝熱阻分析

圖3為T3Ster 熱阻儀測試氧化鋁基板封裝 LED( LED area: 1 x 1 mm; LED emitter: 3.15x3.5 mm)) 的結果，在25℃環境溫度下測試時，各封裝層的熱阻如下：

1.      Chip : 2℃/W
2.      Bonding layer : 1.5℃/W
3.      氧化鋁基板 : 4.7℃/W (氧化鋁基板厚度: 400um, 銅層厚度75um)

當175mA小電流通入下，其基板因熱阻溫升為 4.7℃; 當電流來到 350mA，基板溫升為6.9℃，當500mA電流通入時，基板溫升大約為8.1℃, 及當700mA大電流通入下，基板因熱阻溫升大約為11℃。

當氧化鋁基板溫升大于8℃, 此時氧化鋁基板會不易將熱傳導出LED芯片，LED芯片會快速光衰。 LED芯片封裝在氧化鋁基板，封裝組件只適合始使用功率 (~ 350mA， 約 1watt)。
                    
                                                        圖 4  VisEra硅基板LED封裝熱阻分析

應用以硅為導熱基板的LED封裝，如圖4所示，在3.37 x3.37 mxm2 的小尺寸面積上，具有快速導熱的性能， 可大幅解決因為使用氧化鋁造成的高熱阻問題。以精密的量測熱阻設備 (T3Ster)量測到的熱阻值，在25℃環境溫度下測試時，各封裝層的熱阻如下：

1.      Chip: 1℃/W
2.      Bonding layer: 1.5℃/W
3.      Si substrate: 2.5℃/W

當大電流 (700 mA) 通入在 1 x 1 mm² 的 LED芯片上， 硅基板因熱阻的溫升為 6. 3℃ (=2.5 x 700mA x 3.6 V)，硅基板會快速將熱傳導出LED芯片，LED芯片只會有小量光衰。 硅藉由優良導熱性能將熱傳導出LED芯片，LED芯片會只會有小許光衰。 因此，LED芯片封裝在硅基板上適合于大功率使用 ( ~700 mA，約 3 W)。 因為硅基板制作及LED封裝在硅基板, 技術難度非常高, 目前只有少許公司具備。硅作為LED集成封裝基板材料的熱阻低于氧化鋁基板材料, 應用于大功率時, 硅基板為好的選擇。

總體LED封裝熱阻經T3Ster實測結果比較如下：

LED Si 封裝: VisEra : 5 ℃/W
LED氧化鋁，E公司 : 25 ℃/W
LED 氧化鋁封裝，R公司 : 8.2 ℃/W