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摘要：随着LED的不断大功率化，其散热问题成为了困扰整个行业的重大问题，阻碍了LED照明技术的发展脚步。目前，解决其散热问题的很大一个方面就是寻找合适的材料作为散热基板。氧化铝陶瓷是目前使用最广泛的陶瓷基板材料，同时氮化铝陶瓷有着超高的热导率、低介电常数、优秀的化学性能等优势，有望在将来成为主流的基板材料。
关键词：大功率；LED散热；陶瓷覆铜板
1大功率LED的工作原理分析
1.1LED简介
LED是靠电子在不同的能级间跃迁而发光，同时LED发射出的光中不含热红外线，所以发光产生的热量不能散射出去，所以LED是一种冷光源。对于大功率LED而言，器件温度的上升会引起LED内电子电路等机能的变化和衰减。主要体现在以下三个方面：（1）大功率LED的发出光量度下降，发出的光的能效降低；当下大功率LED发光的效率只能达到20%下，剩余80%以上转换成了热能。如果大量的热量不能实时有效的发散出去，那么就会严重影响元器件的寿命，同时发光的效率也同步降低。（2）大功率LED灯整体的可靠性和稳定性下降；当热量不能及时散出时，就会导致芯片温度升高，引起元器件热应力的非均匀分布，当温度超过元器件的使用温度时，元器件的故障率会呈现指数级上升，元器件的稳定性也将快速下降。（3）大功率LED灯的寿命缩短；热量不能散开，会导致焊料熔化，加速芯片的故障上升，寿命因此缩短。大功率LED散热存在的问题，主要通过以下方法解决：一是通过LED内部芯片自带的封装形式和方法进行散热，二是通过在大功率LED外面连接可导热的散热器等方式来散热。目前,为了解决大功率LED的散热这一技术难点，在散热器的设计结构、原料使用和加工工艺等方面对散热器的热设计进行不断地优化和改善。
1.2大功率LED阵列的热效应及影响
目前，由于大规模LED矩阵产生的热量如果得不到及时的散热，就会影响LED的正常使用，在一般的情况，LED的发光效率使用的能量只能占20%左右，80%的能量作为热量散发出去，如果LED的光通能量达到标准普通照明时，光通量要达到1000流明以上，而一般使用的LED照明光源LED（1mmX1mm）的功率一般是1瓦左右，而产生的热流密度就会达到106W/mz以上，这时就需能够及时的将产生的热流传导出去，否则就会积累在LED芯片的内部，从而会导致芯片的结温升高，最终就烧毁芯片。这是LED芯片设置必须要解决的问题，当多个芯片封装在一起时，在增加光通量的同时，也产生的更多的热量散热问题。电流持续通过PN结，在LED光通量增加的同时，还会导致PN结的温度升高，进而就会影响LED的PN结内部的电子浓度，同时也会影响PN结的空穴浓度，禁带宽度等参数，如果长时间的不能散热，就需导致PN结的正向偏压、发光效率、主波长等受到影响，这样就会影响LED的使用寿命，也会影响LED的正常工作。当LED结温的升高时，就会改变PN结之间的载流子的流动，这样会严重破坏PN结的正向偏压，导致LED不能够正常工作。如果PN结温度持续升高，它的工作环境就会发生变化，这时，PN结两边的热平衡电子浓度就会发生变化，导致大量的少子产生，从而就会很快的激发PN结载流子的浓度比杂质比就和增加，这时就会导致PN结的欧姆接触电阻的电阻率下降，就会将杂质半导体变成了本征半导体，造成PN结的功能消失，进而会影响PN结的正常工作。
2氮化铝陶瓷金属化与性能测量
虽然目前为止，氧化铝陶瓷仍然具有非常大的市场应用价值，但是随着电子产品的不断密集化、大功率化、高速化，其终究会因为热导率不够而被替代。氮化铝陶瓷由于其相比其他材料有着高热导率、高电阻率、强化学稳定性、低介电常数等优势，是目前为止最有应用前景的陶瓷基板，故其金属化技术有着非常广阔的市场前景。
2.1常用的氮化铝陶瓷金属化方式
由于上文所述，氮化铝陶瓷具有高热导率、与Si相配的热膨胀系数、高电阻率、低介电常数、无毒等等优势，势必在将来成为最有市场价值的散热基板材料。目前常用的金属化方式基本可以分成厚膜金属化、薄膜金属化、DBC法、化学镀膜法等等。
2.2激光活化两步溅射法金属化
氮化铝陶瓷金属化的工艺流程与氧化铝陶瓷类似，主要分为了基板前处理以及磁控溅射两部分。其与前文的主要区别在于，基板前处理步骤中，增加了激光活化的部分。陶瓷基板的前处理的目的：一是去除陶瓷表面的附着物，如油脂、灰尘、无机盐等等，避免因为这些污染物导致的结合力不足的问题；二是将采用小功率氮化铝陶瓷表面进行激光改性，在难以浸润的AIN表面生成一层Al2O3，
以便于跟前文的两步溅射法工艺相兼容。由于前处理的大部分内容以及高低气压溅射的过程与前文大致相同，整体的工艺流程总结如下：
2.3性能测量
2.3.1导热性能一热阻的测量
按照XPS结果中的设备与方法，我们对本课题制备的氮化铝陶瓷散热基板作了热阻测试，对XPS 结果中另外两组的结果如下：
可以看出，本课题制备的氮化铝陶瓷散热板的热阻大概在0.25 ∕W左右，远 低于本课题制备的氧化铝陶瓷1.38 ∕W与DBC陶瓷覆铜板1.88 ∕W。这个现象的主要原因是氮化铝陶瓷本身的导热性能非常优秀，同时，在该该课题的制备 工艺中，没有引入高热阻的其他材料。过渡层的氧化铝以及界面反应层的厚度都 非常薄。该种金属化工艺下的氮化铝陶瓷覆铜板，其散热效果非常优异，对氮化 铝陶瓷金属化的产业推广非常具有参考意义。
2.3.2机械性能一膜层结合强度测量
根据膜层结合强度测量方法，用同一台技力计对其做拉脱强 度的测试。值得注意的是，在对氮化铝金属化后的陶瓷覆铜板进行焊锡时，出现 了之前测试环氧树脂板以及氧化铝陶瓷覆铜板拉脱强度时都没有的情况一焊锡无法与铜层浸润，导致铜丝无法与基板结合。产生这一现象的主要原因是，氮化铝陶瓷本身导热系数很大，散热的能力太 强，导致电烙铁产生的热量在很短的时间内即被散去，焊锡的温度无法达到浸润 温度。针对这一问题，我们使用热吹风将基片温度上升至200 左右，然后在短时 间内使用电烙铁将铜丝焊接至基板上，防止因温度过高带来的铜层氧化。结合氮化铝陶瓷与氧化铝陶瓷金属化拉力测试结果的对比表，可以从表 中看出，激光活化后的两步溅射工艺下的氮化铝陶瓷基板，其拉脱强度为4.2MPa左右。其拉脱强度相比氧化铝陶瓷在该工艺下的拉脱强度要略小，但是也大于DBC陶瓷板，完全可以满足生产生活需要。由相关结果可知，在激光处理后，氮化铝陶瓷表面被氧化生成一层氧化铝。而低气压下溅射的铜粒子具有非常大的动能，这个能量足以使其与这层氧化铝层 形成化学吸附，即发生电子交换。从而铜层与基板实现了较为牢固的结合。但是 氧化铝层的厚度受到激光处理工艺参数的影响，厚度一般只能达到几百纳米。所 以相对氧化铝陶瓷在同种工艺下，氮化铝陶瓷金属化后的结合力相对较小。
2.3.3电路刻蚀性能
为了测试其电路刻蚀性能，我们将实验制备的氮化铝陶瓷基板按照相关标砖准进行了电路刻蚀，同时使用扫描 电子显微镜对样品覆铜基板进行线条光学放大500倍，得到氧化铝陶瓷刻蚀后的图片。结合图片可以看出，由于采用了溅射沉积膜层的工艺，铜层粒子与基板结合非常密实，在腐蚀时可以形成良好的边界直线，线条的宽度也可以非常精细。可以从放大图中看到，电路线条均匀完整，边界清晰。故我们可以认为，该种工艺下的氮化铝陶瓷基板完全可以满足线路精细化以及兼容传统刻蚀工艺的要求。
参考文献
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论文作者:黄有山
论文发表刊物:《基层建设》2018年第28期
论文发表时间:2018/11/16
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