案例分享 l 用於LED封裝的新型介電界面材料的熱學研究

T.U. Darmstadt照明技術實驗室屬於Tran Quoc Khanh教授的研究機構，該實驗室是世界領先的照明研究機構。主要研究LED，目的之一就是LED可以很好的將熱量從設備向下傳遞，通過封裝至主板。本文研究了新型Dielectric材料在LED封裝中的熱性能。另外通過實測和模擬，也驗證了幾何參數對Electrical layout的影響。

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問題需求描述及重要性論述

電子封裝的主要目的之一是能很好的將熱量從設備向下通過封裝傳入主板。LED晶元會通過電路將頂部和底部連接起來，這就是要把電路從金屬主板上分離的原因。通過一個既不導電也不導熱的Insulator layer實現。並不是所有的LED瞬態行為都可以通過簡單的One-dimensional計算得到，因為在Electrical layout中的Heat spreading effects直接影響了測量曲線，所以必須考慮使用其他材料的模型。

PCB』s Dielectric的變化對LED總熱阻的影響最大。不僅用MicReD T3Ster測試了一種Standard ceramic filled polymer，還測試了新型Dielectric材料。Dielectric和substrate的熱阻是LED封裝中總熱阻的主要組成部分。用Laminated nano-ceramic代替Ceramic paste可以將熱阻從40K/W降低到10K/W。其中一個原因是Ceramic layer的厚度比較小(10μm)。Pure nano-ceramic與Laminated ceramic filled polymer of a standard PCB的直接對比，也顯示出將Dielectric的熱阻降低了約33%。導電性越高，Direct metallized materia的厚度就越小，其總熱阻就降低。

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案例介紹

本文對LED封裝中新型Dielectric材料的熱性能進行了研究。

熱流路徑：

圖1 大功率LED封裝結構

圖1顯示了基於晶元的大功率LED封裝結構。晶元(Die)不僅能產生光，而且還能產生一定的熱量，所以其溫度要儘可能低。由於傳導的原因，晶元的大部分熱量會被傳至外部。由於Thermal conductivity of molding compounds(如Epoxy or Silicone)的導熱係數遠小於晶元(如Silver conductive adhesive)的導熱係數，大部分熱量會向下傳導。界面材料的導熱係數和幾何結構等對熱流的影響很大。因此，用熱阻抗測試系統T3ster測量時，一個變化將會導致不同的測量結果。

圖2 LED封裝的結構函數

圖2顯示了評估測量的LED封裝的結構函數。在LED封裝的MicReD T3Ster結構函數里，呈現了LED測試的熱量信息，包括熱阻（K/W）和熱容（Ws/K）。實際上每一層的熱容都代表了LED封裝里的一種材料。確定各種材料的熱阻很重要，因為電子元件需要冷卻，擁有較低的熱阻意味著具有更好的性能。

Electric layout研究：

考慮到晶元與外部電極之間的電路連接，Electric layout起著非常重要的作用。考慮到電導率和成本，銅是製造商的首選。這就是為什麼要從熱學角度來構建和分析Electric layout幾何結構的原因。本研究中，除了表面積大小，Electric layout的厚度依次變為35μm，70μm和105μm。銅擁有高導熱係數λ= 385 W/mk。例如，銅材料布局表面積為5mmx 5mm，厚度為35μm,熱阻為Rth=ιλ?A = 0.0036 K/W。這個值是如此小，以至於三倍厚度（105μm）尺寸熱阻也只有0.01 K / W。

圖3 不同厚度Electric layout的熱擴散

為什麼要討論厚度呢？原因是熱擴散產生的影響，上述公式沒有考慮該現象，但是測量結果（圖4）檢測到了熱擴散效應。圖3是熱擴散「Refraction model」[1]的研究方法。

圖4 結構函數(測量數據)

圖5 模擬數據(厚度變化)

晶元產生的熱量傳至銅層，並在銅層中擴散。與光學相比，邊界表面的Refraction取決於Refraction index，即圖中的導熱係數。晶元熱傳遞高導電材料，意味著有大的Refraction angle α,這樣就會出現較大的擴散效應。增大銅層的厚度，熱量通過的表面積A變大。此時，可繼續利用簡單公式進行熱阻計算。實驗結果和用FloTHERM進行的瞬態熱模擬結果如圖4和圖5所示。

兩個結果都證實了具有較厚的銅層布局的總熱阻較低。這是因為熱量流入了一個具有較大表面積的絕緣體(圖3)，所以Dielectric本身的熱阻比較小。由於厚度越厚意味著材料越多，因而熱容也增加了。

新型Dielectric材料：

所有應用的Dielectric材料都是基於Polymer和/或者Ceramic的材料。Dielectric layer和Board』s substrate的連接技術與Dielectric layer和Electrical layout的連接技術不同。標準的方法就是用Epoxy adhesive將Electrical layout貼合在Ceramic filled polymer上。由於Polymer的導熱係數比Ceramic低，有一種新的方法就是使用由Nano-crystalline aluminum oxide crystals組成的Ceramic layer(Al2O3)[2]，將Electrical layout層壓制在Pure ceramic layer上，或者通過Metallization process直接接觸。

圖6 Nanotherm LC (Laminated Circuit)與Ceramic paste[3]的比較

圖7 Nanotherm DM (Direct metallization) 和 Ceramic filled polymer[3]的比較

對相同LED封裝和不同Dielectric的樣本進行熱阻抗測試。測試直接對比了Nanotherm LC（Laminated Circuit）和Ceramic paste(圖6)，還對比了Nanotherm DM (Direct metallization)和Ceramic filled polymer(圖7)。圖8和圖9為測量結構函數的結果。

圖8 Dielectric材料為Nanotherm LC和Ceramic paste的結構函數

圖9 Nanotherm DM的結構函數

Dielectric和Substrate的熱阻是LED封裝總熱阻的主要組成部分。用Laminated nano-ceramic代替Ceramic paste可以把熱阻從40K/W降低到10 K/W(圖8)。其中一個原因是Ceramic paste厚度小(10μm)。Pure nano-ceramic與Laminated ceramic filled polymer of a standard PCB比較，表明將Dielectric的熱阻降低約33%。Direct metallized material導熱性更高，厚度更低，因此其結果必然是總熱阻變低。

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總結

不是所有的瞬態行為都可以通過簡單的One-dimensional計算得到。Electrical layout中的熱擴散效應直接影響測量曲線，必須考慮其它模型。PCB dielectric的變化對總熱阻的影響最大。通過Laminated Nanotherm和Direct metallized Nanotherm的直接比較可以看出，兩種材料的老化和可靠性是未來值得研究的有意義的方向。

參考文獻：

[1] David P. Kennedy. 「Heat conduction in a homogeneous solid circular cylinder of isotropic media」. Product Development Laboratory, Data Systems Div., International Business Machines Corp, Poughkeepsie, NY, 1959.

[3] Data sheet from Excelitas Technologies and Cambridge Nanotherm.

本案例（T3ster）由海基科技編輯和整理

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