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目前，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。一般來說，LED發(fā)光效率和使用壽命會(huì)隨結(jié)溫的增加而下降，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到125℃以上時(shí)，LED甚至?xí)霈F(xiàn)失效。為使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。

圖1 LED散熱陶瓷基板

現(xiàn)階段常用基板材料有Si、金屬(Al、Cu、W、Mo)及金屬合金材料(Cu/W、Cu/Mo)、陶瓷(Al₂O₃、AlN、SiC、BN)和復(fù)合材料等，它們的熱膨脹系數(shù)與熱導(dǎo)率如表1所示。其中Si材料成本高；金屬及金屬合金材料的固有導(dǎo)電性、熱膨脹系數(shù)與芯片材料不匹配；陶瓷材料難加工等缺點(diǎn)，均很難同時(shí)滿足大功率基板的各種性能要求。

表1 常見大功率LED封裝基板的熱膨脹系數(shù)與熱導(dǎo)率

環(huán)氧樹脂覆銅基板(FR-4)是傳統(tǒng)電子封裝中應(yīng)用最廣泛的基板。它起到支撐、導(dǎo)電和絕緣三個(gè)作用。其主要特性有：成本低、較高的耐吸濕性、密度低、易加工、易實(shí)現(xiàn)微細(xì)圖形電路、適合大規(guī)模生產(chǎn)等。但由于FR-4的基底材料是環(huán)氧樹脂，有機(jī)材料的熱導(dǎo)率低，耐高溫性差，因此FR-4不能適應(yīng)高密度、高功率LED封裝要求，一般只用于小功率LED封裝中。

金屬基覆銅基板(MCPCB)是繼FR-4后出現(xiàn)的一種新型基板。它是將銅箔電路及高分子絕緣層通過導(dǎo)熱粘結(jié)材料與具有高熱導(dǎo)系數(shù)的金屬(Cu、Al)、底座直接粘結(jié)制得，如圖2所示。其熱導(dǎo)率約為1.12 W/m·K，相比FR-4有較大的提高。由于MCPCB具有優(yōu)異的散熱性，它已成為目前大功率LED散熱基板市場上應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品。但MCPCB也有其固有的缺點(diǎn)：高分子絕緣層的熱導(dǎo)率較低，只有0.3 W/m·K，導(dǎo)致熱量不能很好的從芯片直接傳到金屬底座上；金屬Cu、Al的熱膨脹系數(shù)較大，可能造成比較嚴(yán)重的熱失配問題。

金屬基復(fù)合基板(MMC)最具代表性的材料是鋁碳化硅(AlSiC)。鋁碳化硅是將SiC陶瓷的低膨脹系數(shù)和金屬Al的高導(dǎo)熱率結(jié)合在一起的金屬基復(fù)合材料，它綜合了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，具有低密度(2.79g/cm³)、低熱膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率、高剛度等一系列優(yōu)異特性。AlSiC的熱膨脹系數(shù)可以通過改變SiC的含量來加以調(diào)試，使其與相鄰材料的熱膨脹系數(shù)相匹配，從而將兩者的熱應(yīng)力減至最小。如圖3是一種以AlSiC做基板的多芯片封裝示意圖。

圖3 一種以AlSiC做基板的多芯片封裝示意圖

長期以來，Al₂O₃和BeO陶瓷是大功率封裝兩種主要基板材料。但這兩種基板材料都固有缺點(diǎn)，Al₂O₃的熱導(dǎo)率低，熱膨脹系數(shù)與芯片材料(如Si)不匹配；BeO雖然具有優(yōu)良的綜合性能，但生產(chǎn)成本較高和有劇毒。因此，從性能、成本和環(huán)保等方面考慮，這兩種基板材料均不能作為今后大功率LED器件發(fā)展最理想材料。AlN陶瓷具有高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度、高電阻率、密度小、低介電常數(shù)、無毒、以及與Si相匹配的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能，將逐步取代傳統(tǒng)大功率LED基板材料，成為今后最具發(fā)展前途的一種陶瓷基板材料。

氮化鋁(AlN)是一種人工合成礦物，并非天然存在于大自然中。AlN的晶體結(jié)構(gòu)類型為六方纖鋅礦型，具有密度小(3.26g/cm³)、強(qiáng)度高、耐熱性好（約3060℃分解）、熱導(dǎo)率高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 AlN纖鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)示意圖

AlN是一種強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，其熱傳導(dǎo)機(jī)理是晶格振動(dòng)（即聲子傳熱）。由于Al和N的原了序數(shù)小，從本性上決定了AlN具有很高的熱導(dǎo)率，其熱導(dǎo)率理論值可高達(dá)319W/m·K。但在實(shí)際產(chǎn)品中，由于AlN的晶體結(jié)構(gòu)可能完全均勻分布，并存在很多雜質(zhì)和缺陷，如圖5所示，使得其熱導(dǎo)率般只有170-230W/m·K。在熱傳導(dǎo)過程中，晶體中的各種缺陷（如點(diǎn)陣畸變、位錯(cuò)、雜質(zhì)、氣孔、微裂紋）、晶界、界面、第二相以及聲子本身都會(huì)對(duì)聲子產(chǎn)生干擾和散射，從而大大降低基板的熱導(dǎo)率。

圖5 影響AlN基板熱導(dǎo)率的各種因素

由于AlN基板不具有電導(dǎo)性，因此在用作大功率LED散熱基板之前必須對(duì)其表面進(jìn)行金屬化和圖形化。但AlN與金屬是兩類物理化學(xué)性質(zhì)完全不同的材料，兩者差異表現(xiàn)最為突出的就是形成化合物的成鍵方式不同。AlN是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，而金屬一般都表現(xiàn)為金屬鍵化合物，因此與其它化學(xué)鍵的化合物相比，在高溫下AlN與金屬的浸潤性較差，實(shí)現(xiàn)金屬化難度較高。因此，如何實(shí)現(xiàn)AlN基板表面金屬化和圖形化成為大功率LED散熱基板發(fā)展的一個(gè)至關(guān)重要問題。目前使用最廣泛的AlN基板金屬化的方法主要有：(1)機(jī)械連接法、(2)厚膜法、(3)活性金屬釬焊法、(4)共燒法、(5)薄膜法、(6)直接覆銅法。

圖6 厚膜法金屬化AlN基板示意圖

圖7 AlN基板與活性金屬釬料結(jié)合界面示意圖

圖8 多層金屬AlN陶瓷基板

圖9 AlN基板直接覆銅工藝