近年來，LED 越來越多地被應用于普通照明，LED產業呈現爆發式增長并向大功率、高集成、密集化、小型化方向發展，LED 發光效率和使用壽命會隨結溫的增加而下降，所以散熱問題成為大功率LED進一步發展的瓶頸，受到廣泛的關注。
陶瓷基板，圖片來源：中電科四十三所
大功率LED熱傳導主要途徑是：PN結——外延層——封裝基板——外殼——空氣，所以封裝基板的選擇對LED散熱至關重要。陶瓷基板 (又稱陶瓷電路板) 具有熱導率高、耐熱性好、熱膨脹系數低、機械強度高、絕緣性好、耐腐蝕、抗輻射等特點，在電子器件封裝中得到廣泛應用。
陶瓷基板的優秀性能
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，陶瓷基板在機械性質、電學性質、熱學性質具有以下特點：
（1）機械性能。機械強度高，能用作為支持構件；加工性好，尺寸精度高；表面光滑，無微裂紋、彎曲等。
（2）熱學性質。導熱系數大，熱膨脹系數與Si和GaAs等芯片材料相匹配，耐熱性能良好。
（3）電學性質。介電常數低，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定，可靠性高。
（4）其他性質。化學穩定性好，無吸濕性；耐油、耐化學藥品；無毒、無公害、α射線放出量小；晶體結構穩定，在使用溫度范圍內不易發生變化；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支撐底座的片狀材料，如今已成為大功率 LED 的結構材料。
1、氧化鋁（Al2O3）基板
氧化鋁陶瓷是目前應用最廣泛的陶瓷之一，不僅機械、熱、電性能較好，而且化學穩定性高；另外，氧化鋁原料來源豐富，工藝成熟，價格較低，還可以按照要求加工成各種不同形狀，因此在大功率 LED 領域被大量應用。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，表明應用氧化鋁陶瓷基板LED綜合性能較好。但由于其熱導率相對較低 (99% 氧化鋁熱導率約為 30 W/(m·K)，熱膨脹系數較高，一般應用在汽車電子、半導體照明、電氣設備等領域。
2、氮化鋁（AIN）基板
AlN陶瓷基板具有超高的導熱率，是氧化鋁陶瓷的8-10倍，實際生產的熱導率也可高達 200 W/(m·K)，有利于LED 中熱量散發，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率，其絕緣性也很好，應用于大功率LED時不需要絕緣處理，簡化了工藝。氮化鋁被公認為最具有發展潛力的大功率LED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格很高，這是制約氮化鋁基板發展的主要問題。如果能大幅度降低原料成本、實現低溫下致密化燒結并解決金屬化問題，氮化鋁陶瓷基板將會在大功率 LED 領域大面積應用指日可待。
3、氧化鈹 (BeO) 基板
BeO 材料密度低，熱導率高，具有良好的綜合性能。但是，BeO 材料也存在一些不足：（1）BeO 陶瓷的熱導率不穩定，其熱導率隨著溫度的升高而降低；（2）BeO 粉體具有毒性，對環境容易產生污染；（3）BeO 陶瓷抗腐蝕性很強，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格把關。
但在某些大功率、高頻半導體器件以及航空電子設備和衛星通訊中，為了追求高導熱和理想高頻特性，仍在采用 BeO 陶瓷基片。
4、碳化硅（SiC）基板
碳化硅單晶的熱導率在室溫可高達 270 W/(m·K），是良好的導熱材料，而且其熱膨脹系數與常用的LED 沉底材料藍寶石的熱膨脹系數接近，還具備高彈性模量和相對低密度的優點，SiC 的莫氏硬度為 9.75，機械強度高。綜述以上優點，SiC 基板適合做大功率 LED 基板材料。
但是SiC 基板熱導率在高溫時會隨著溫度的升高明顯下降，嚴重影響產品性能。另外，不良的絕緣耐壓性也阻礙了其在 LED 領域中的發展；碳化硅的介電常數較高，會導致信號延遲，影響產品的可靠性。
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特的優勢。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軸方向的理論熱導率分別是170W/m·K、450W/m·K。同時氮化硅具有高強度、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等特點，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、電氣性能和機械性能；具有高導熱系數，高電流載荷，容易滿足第三代功率半導體器件的散熱需求；并且熱膨脹系數與大多數半導體材料匹配，因而使其器件的可靠性更優異。
總結與發展
散熱是功率型電子元器件發展過程中的關鍵技術問題。鑒于大功率、小尺寸、輕型化已經成為未來功率型電子元器件封裝的發展趨勢，陶瓷基板除了具有優異的導熱特性之外，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 應用還有提高，復合基板能充分運用陶瓷的高導熱性和絕緣性，綜合了各種材料的優點，是未來大功率 LED 基板發展的方向。
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：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狀與發展趨勢
（中國粉體網編輯整理/空青）
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