4.2 製作高密度單層人造鑽石顆粒導熱固晶層
4.2.3 熱阻值量測之原理
本實驗量測熱阻的結構是將一 LED 以銀膠與焊錫固晶於一 star 板 上，打上金線接出正負極，並蓋上一密封劑(Encapsulant)保護金線與 LED 晶片，接著以導熱膠帶(thermal pad)將三明治結構與 star 板以及量測載 盤結合(如圖 4-13 所示)。此種量測方法是將 LED 封裝體(PKG)視為一發 熱源，當有電流注入時，由於焦耳熱效應的關係晶片溫度上升，搭配 量熱熱阻的儀器可以得到試片的熱阻值，實際量測模組照片如圖 4-14 所示。
量測的方式是利用 T3Ster (thermal transient tester)的儀器，可量測 得 LED 元件的接面溫度(Junction Temperature)與各層封裝結構的熱阻抗 值(Thermal Resistance)，對於 LED 元件特性的分析，封裝結構的改質，
可靠度的實測等方面均提供了詳細的資訊。其量測的可以分為兩個部 分：首先先量測出 LED 的接面溫度，再將得到的資料利用數學的轉換 搭配上結構累積函數的想法，最終獲得每一層封裝材料的熱阻值。
量測接面溫度(Junction Temperature)的方式有很多種，在 T3Ster 量測模組裡是利用順向偏壓(Forward Voltage)的方式，其中又可以分成 校準量測(calibration measurement)與實際溫度量測(actual junction temperature measurement) 兩部分。
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1. 校準量測(calibration measurement)
目標：得 LED 順向偏壓與溫度的相關係數(dVf/dT)。
原理：
方法：將 LED 置於一溫控箱內，施予脈衝電流驅動 LED，Duty Cycle=0.1% 避免 LED 產生的熱能影響溫控箱的溫度，示波器記錄下在 不同溫度不同脈衝電流下的順向電壓值，得圖表如圖 4-15 [30]，由各 曲線的斜率可得順向偏壓與溫度的相關係數(dVf/dT)。
2. 實際溫度量測(actual junction temperature measurement)
由 calibration measurement 可得到上式１之 A 與 B，接著施加恆定 電流驅動 LED，測得在該電流下的順向電壓值，再代入式２即可得到 Tj (junction temperature)。
下一步就是結構熱阻值的量測，其原理是，當 LED 通以一小電流
60
或是在一個控溫的環境下，整體封裝溫度會達到一熱平衡，接著增加 一小功率使得 LED 接面溫度上升，整體封裝結構會再一次達到熱平衡，
此時紀錄溫度變化與時間的關係圖(圖 4-16)，再經由一連串的數學模型 轉換可得到熱容與熱阻抗的積分與微分函數關係圖，藉由關係圖的轉 折點可對應得到某一層封裝結構的熱阻抗值，示意圖如圖 4-17。
圖 4-13 熱阻量測結構示意圖
61
圖 4-14 熱阻量測結構圖
圖 4-15 不同溫度下脈衝電流與電壓關係圖
圖 4-16 提升功率記錄溫度變化與時間關係式意圖
62
圖 4-17 熱容與熱組關係圖，積分(上圖)、微分(下圖)
4.2.4
熱阻值量測之結果與討論量測得到的熱容與熱阻抗微分圖如下圖 4-18 紅線所示，曲線主要 可以分為封裝體(PKG)、焊錫與 star 板(Solder+ Star)、導熱膠帶(thermal pad)+試片(sample)+導熱膠帶(thermal pad)三個部分，可以發現在導熱膠 帶(thermal pad)+試片(sample)+導熱膠帶(thermal pad)這部分並無明顯 的波峰可區別導熱膠帶(thermal pad) 與試片的熱阻抗值，因此我們先 量測單一 thermal pad 結構(圖 4-19)的熱阻值，可得到圖 4-18 藍線所示，
再把紅線所得的熱阻值扣去 thermal pad 的熱阻抗即可得知試片的熱阻 值。
63 個觀點可以從 DB30S 的熱阻值(0.78K/W)間接得到證明，從結構上來看 少了一層矽晶圓本身的熱阻之外，鑽石顆粒將與導熱膠帶直接接觸，
64
結果與實驗值如表 4-3 所示。可以發現理論計算的值都小於實驗值，其 原因推測有兩點：
1. 介面熱阻(interface thermal resistance):
介面熱阻的定義是指當熱經過兩個不同材料時，在介面的溫度會
2. 接觸熱阻(contact thermal resistance)
接觸熱阻是指兩量個材料接觸的時候，兩邊的表面不可能是完全
65
所示，熱阻值為 9.34(K/W)，相較於市售比較高階的銀膠(圖 4-23)，熱 阻值為 2.01，是高了約 4.6 倍。其原因除了銀膠很薄(小於 5μm)之外，
另一個主因是我們所選取的接著層(鈦)與藍寶石基板的附著性不好，可 以從圖 4-24 看到遺落下的材料經過 EDX 的分析可以發現其成分是少量 的鈦與銅，可以證明鈦與藍寶石基板的附著力不足以承受後續的製程 而造成 LED 晶片的脫落，及使沒有脫落的試片也很可能在介面的地方 有著空隙，使得添加鑽石的固晶材料的熱阻值大增。
圖 4-18 熱容對熱阻微分圖
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圖 4-19 單一導熱膠帶結構示意圖
圖 4-20 溫度與位置關係圖[31]
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圖 4-21 接觸熱阻示意圖[32]
圖 4-22 添加鑽石固晶材料熱阻量測圖
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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
1e-4 0.01 1 100 10000
Rth [K/W]
K [W²s / K²]
T3Ster Mas ter: differential s tructure function(s )
2.01051 13.2694 1.01708
Chip_L_Ag_Star_25C_No5 - Ch. 0
圖 4-23 市售高階銀膠熱阻量測圖
圖 4-24 LED 晶片脫落表面 SEM 及成分分析圖
表 4-1 各種試片熱阻實驗值
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表 4-2 理論計算中各種材料的參數
表 4-3 各種試片理論計算值與實驗值
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五、 結論與未來工作
5.1 結論
5.1.1 製作結構化矽晶圓填充人造鑽石顆粒之高散熱復合基板
在 LED 封裝散熱領域提出一個全新的想法，利用結構化矽晶圓，
在其凹洞陣列中填充人造鑽石顆粒。這樣的結構是將鑽石當作導熱的 通道，矽晶圓的部分是提供導電以及切割的空間。若成功製作出元件 相信可以進一步增加散熱的能力、提升 LED 性質。
5.1.2 製作密度單層人造鑽石顆粒導熱固晶層
在 LED 封裝散熱領域提出一個全新的想法，利用單層高密度散佈 的鑽石顆粒與晶元接合技術，選擇接合材料與其搭配的接著層或金屬 反應層即可當作固晶材料使用。若提高鑽石與晶片的接觸程度可以大 大降低熱阻值。此類高散熱固晶材料不僅可以使用在高亮度 LED 的封 裝，也可以使用在其他高功率的晶片(power chip)的封裝。
71
5.1 未來工作
1. 預先將 LED 磊晶片的藍寶石基板端研磨拋光在進行後續製程。
2. 重新設計圖案以提供鑽石與電極圖案的對位基準(alignment key)。
3. 將試片尺寸放大以便於切割，並使用雷射切割機切割試片。
4. 選用更高品質的人造鑽石顆粒，不僅是尺寸會較為相同，在表 面形貌上也會更加平整。
5. 選用更小尺寸的人造鑽石顆粒進一步減少固晶材料的厚度。
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六、 參考文獻
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