近年來，LED 越來越多地被應(yīng)用于普通照明，LED產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)并向大功率、高集成、密集化、小型化方向發(fā)展，LED 發(fā)光效率和使用壽命會(huì)隨結(jié)溫的增加而下降，所以散熱問題成為大功率LED進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，受到廣泛的關(guān)注。

陶瓷基板，圖片來源：中電科四十三所

大功率LED熱傳導(dǎo)主要途徑是：PN結(jié)——外延層——封裝基板——外殼——空氣，所以封裝基板的選擇對(duì)LED散熱至關(guān)重要。陶瓷基板 (又稱陶瓷電路板) 具有熱導(dǎo)率高、耐熱性好、熱膨脹系數(shù)低、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性好、耐腐蝕、抗輻射等特點(diǎn)，在電子器件封裝中得到廣泛應(yīng)用。

陶瓷基板的優(yōu)秀性能

陶瓷基板材料常見的主要有Al₂O₃、AIN、SiC、BN、BeO、Si₃N₄等，與其他基板材料相比，陶瓷基板在機(jī)械性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)具有以下特點(diǎn)：

（1）機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)度高，能用作為支持構(gòu)件；加工性好，尺寸精度高；表面光滑，無微裂紋、彎曲等。

（2）熱學(xué)性質(zhì)。導(dǎo)熱系數(shù)大，熱膨脹系數(shù)與Si和GaAs等芯片材料相匹配，耐熱性能良好。

（3）電學(xué)性質(zhì)。介電常數(shù)低，介電損耗小，絕緣電阻及絕緣破壞電高，在高溫、高濕度條件下性能穩(wěn)定，可靠性高。

（4）其他性質(zhì)�；瘜W(xué)穩(wěn)定性好，無吸濕性；耐油、耐化學(xué)藥品；無毒、無公害、α射線放出量�。痪�體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在使用溫度范圍內(nèi)不易發(fā)生變化；原材料資源豐富。

常用的大功率LED陶瓷基板材料分類

陶瓷基板是以電子陶瓷為基底形成一個(gè)支撐底座的片狀材料，如今已成為大功率 LED 的結(jié)構(gòu)材料。

1、氧化鋁（Al₂O₃）基板

氧化鋁陶瓷是目前應(yīng)用最廣泛的陶瓷之一，不僅機(jī)械、熱、電性能較好，而且化學(xué)穩(wěn)定性高；另外，氧化鋁原料來源豐富，工藝成熟，價(jià)格較低，還可以按照要求加工成各種不同形狀，因此在大功率 LED 領(lǐng)域被大量應(yīng)用。使用氧化鋁陶瓷基板的LED最高溫度低于使用玻璃基板的LED，表明應(yīng)用氧化鋁陶瓷基板LED綜合性能較好。但由于其熱導(dǎo)率相對(duì)較低 (99% 氧化鋁熱導(dǎo)率約為 30 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)較高，一般應(yīng)用在汽車電子、半導(dǎo)體照明、電氣設(shè)備等領(lǐng)域。

2、氮化鋁（AIN）基板

AlN陶瓷基板具有超高的導(dǎo)熱率，是氧化鋁陶瓷的8-10倍，實(shí)際生產(chǎn)的熱導(dǎo)率也可高達(dá) 200 W/(m·K)，有利于LED 中熱量散發(fā)，提高 LED 性能。

圖片來源：中電科四十三所

AlN陶瓷基板不僅有高熱導(dǎo)率，其絕緣性也很好，應(yīng)用于大功率LED時(shí)不需要絕緣處理，簡(jiǎn)化了工藝。氮化鋁被公認(rèn)為最具有發(fā)展?jié)摿Φ拇蠊β蔐ED基板材料，但氮化鋁沒有天然形成的，需要人工制造，高成本的原料和工藝使得氮化鋁陶瓷價(jià)格很高，這是制約氮化鋁基板發(fā)展的主要問題。如果能大幅度降低原料成本、實(shí)現(xiàn)低溫下致密化燒結(jié)并解決金屬化問題，氮化鋁陶瓷基板將會(huì)在大功率 LED 領(lǐng)域大面積應(yīng)用指日可待。

3、氧化鈹 (BeO) 基板

BeO 材料密度低，熱導(dǎo)率高，具有良好的綜合性能。但是，BeO 材料也存在一些不足：（1）BeO 陶瓷的熱導(dǎo)率不穩(wěn)定，其熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而降低；（2）BeO 粉體具有毒性，對(duì)環(huán)境容易產(chǎn)生污染；（3）BeO 陶瓷抗腐蝕性很強(qiáng)，但是能被 KOH、NaOH、含酸性氧化物的玻璃以及堿金屬碳酸鹽溶液等腐蝕，制備條件和工藝需嚴(yán)格把關(guān)。

但在某些大功率、高頻半導(dǎo)體器件以及航空電子設(shè)備和衛(wèi)星通訊中，為了追求高導(dǎo)熱和理想高頻特性，仍在采用 BeO 陶瓷基片。

4、碳化硅（SiC）基板

碳化硅單晶的熱導(dǎo)率在室溫可高達(dá) 270 W/(m·K），是良好的導(dǎo)熱材料，而且其熱膨脹系數(shù)與常用的LED 沉底材料藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)接近，還具備高彈性模量和相對(duì)低密度的優(yōu)點(diǎn)，SiC 的莫氏硬度為 9.75，機(jī)械強(qiáng)度高。綜述以上優(yōu)點(diǎn)，SiC 基板適合做大功率 LED 基板材料。

但是SiC 基板熱導(dǎo)率在高溫時(shí)會(huì)隨著溫度的升高明顯下降，嚴(yán)重影響產(chǎn)品性能。另外，不良的絕緣耐壓性也阻礙了其在 LED 領(lǐng)域中的發(fā)展；碳化硅的介電常數(shù)較高，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)延遲，影響產(chǎn)品的可靠性。

綜上，碳化硅陶瓷基板性能較好，降低成本、完善制備工藝是今后研究的重點(diǎn)方向。

5、氮化硅 ( Si₃N₄）基板

與其他陶瓷基板材料相比，氮化硅具有一系列獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Si₃N₄屬于六方晶系，有α、β和γ三種晶相，其中α-Si₃N₄單晶體沿a軸和c軸的理論熱導(dǎo)率分別為105W/m·K、225W/m·K;β-Si₃N₄單晶體沿a軸和c軸方向的理論熱導(dǎo)率分別是170W/m·K、450W/m·K。同時(shí)氮化硅具有高強(qiáng)度、高硬度、高電阻率、良好的抗熱震性、低介電損耗和低膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，是一種理想的散熱、封裝和基板材料。制成的陶瓷基板具有非常好的理化性能、電氣性能和機(jī)械性能；具有高導(dǎo)熱系數(shù)，高電流載荷，容易滿足第三代功率半導(dǎo)體器件的散熱需求；并且熱膨脹系數(shù)與大多數(shù)半導(dǎo)體材料匹配，因而使其器件的可靠性更優(yōu)異。

總結(jié)與發(fā)展

散熱是功率型電子元器件發(fā)展過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題。鑒于大功率、小尺寸、輕型化已經(jīng)成為未來功率型電子元器件封裝的發(fā)展趨勢(shì)，陶瓷基板除了具有優(yōu)異的導(dǎo)熱特性之外，還具備較好的絕緣、耐熱、耐壓能力及與芯片良好的熱匹配性能，已成為中、高端功率型電子元器件封裝散熱之首選。陶瓷基板在大功率 LED 應(yīng)用還有提高，復(fù)合基板能充分運(yùn)用陶瓷的高導(dǎo)熱性和絕緣性，綜合了各種材料的優(yōu)點(diǎn)，是未來大功率 LED 基板發(fā)展的方向。

參考來源：

鄺海：大功率LED中常用陶瓷基板研究

電子元器件與信息技術(shù)：最適合LED的散熱基板——氮化鋁陶瓷基板

秦典成等：陶瓷基板表面金屬化研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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