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氮化铝基板延长LED/功率元件寿命
发布日期:2015-02-26      浏览次数:2831次      标签:铝基板,铜基板

    因应电子元件朝体积缩小、性能提升及环保节能的趋势,高度密集、高功率、高频或高热环境的电子元件,其散热通量甚至已高达100W/cm2以上,如发光二极体(LED)、金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)、绝缘闸双极性电晶体(IGBT)与雷射等元件,已成为相关业者主要开发的技术重点项目。因密集排列及长时间工作所产生之热能,于有限的封装散热空间内,若未适时排除于外,会因接面温度升高,将使元件性能及寿命降低,且材料间因高温热应力累积,势必衍生元件可靠度问题,故亟须以优良的散热封装设计与高导热材料加以消弭。

    AlN取代陶瓷基板呼声高涨

    氮化铝(AlN)在近年电子应用材料当中十分的热门,因为其具有高的热传导率(理论值为280W/mK,是氧化铝的五到八倍)、低的介电常数和介电损失、良好的电绝缘性,以及低的热膨胀系数(接近于矽的4.2×10-6/℃及砷化镓的5.7×10-6/℃),且无氧化铍之毒性。因此氮化铝可应用范围相当广泛,例如可应用于半导体与微电子电路封装基板、高亮度LED晶片承载基板、车用电子与照明元件、高功率电子元件散热材料等方面,未来具有极大潜力可逐渐取代其他的陶瓷基板材料。

    氮化铝属于六方晶系之纤锌矿(Wurtzite)结构,其原子间是以四面体配置的强共价键结合,故熔点高且热传性能佳,为少数具有高热传导率的非金属固体,因其符合低原子量、原子键结强、结晶结构简单、晶格振荡谐和性高等四项通则,热传导系数的理论值可达280W/mK。

    氮化铝为近年来新型陶瓷材料领域的研究焦点之一,虽早在100多年前氮化铝粉末即被合成出来,但因其不易烧结的特性,使得当时氮化铝并未受到注意。由于氮化铝属于共价化合物,且熔点高、热扩散系数小,因此氮化铝粉末在烧结温度下很难烧结致密,而氮化铝的致密性则是影响其热传导能力的重要关键因子之一,致密性差的氮化铝其热传导系数(K值)也较低。

    另一影响氮化铝热传导能力的因子为氮化铝的杂质含量,由于氮化铝对氧原子有强烈的亲和力,在制程中部分氧会溶入氮化铝晶格中而形成杂质缺陷,使热传导能力变差,这是因为晶格中的缺陷如杂质的存在,会造成声子的散射而使得热传导率明显降低。图1为氮化铝的结晶构造;表1则是氧化铝与氮化铝的材料性质比较表。

氮化铝

图1 氮化铝的结晶构造氮化铝

    热传导率代表基板材料本身直接传导热能的一种能力,数值愈高代表其散热能力愈好。在LED领域散热基板最主要的作用就在于,如何有效的将热能从LED晶片传导到系统散热,以降低LED晶片的温度,增加发光效率与延长LED寿命,因此,散热基板热传导效果的优劣就成为业界在选用散热基板时,重要的评估项目之一。

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