LED散熱模塊熱傳材料介紹

概述

　　在LED產(chǎn)品應(yīng)用中﹐通常需要將多個led組裝在一電路基板上。電路基板除了扮演承載LED模塊結(jié)構(gòu)的角色外﹐另一方面﹐隨著LED輸出功率越來越高,基板還必須扮演散熱的角色﹐以將LED晶體產(chǎn)生的熱傳派出去﹐因此在材料選擇上必須兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及散熱方面的要求。

　　傳統(tǒng)LED由于LED發(fā)熱量不大﹐散熱問題不嚴(yán)重﹐因此只要運(yùn)用一般的銅箔印刷電路板(PCB)即可。但隨著高功率LED越來越盛行PCB已不足以應(yīng)付散熱需求。因此需再將印刷電路板貼附在一金屬板上，即所謂的MetalCorePCB，以改善其傳熱路徑。另外也有一種做法直接在鋁基板表面直接作絕緣層或稱介電層，再在介電層表面作電路層，如此LED模塊即可直接將導(dǎo)線接合在電路層上。同時為避免因介電層的導(dǎo)熱性不佳而增加熱阻抗，有時會采取穿孔方式，以便讓LED模塊底端的均熱片直接接觸到金屬基板，即所謂芯片直接黏著。接下來介紹了幾種常見的LED基板材料﹐并作了比較。

　　印刷電路基板(PCB)

　　常用FR4印刷電路基板，其熱傳導(dǎo)率0.36W/m.K，熱膨脹系數(shù)在13~17ppm/K?？梢詥螌釉O(shè)計，也可以是多層銅箔設(shè)計(如圖2)。優(yōu)點︰技術(shù)成熟，成本低廉，可適用在大尺寸面板。缺點︰熱性能差，一般用于傳統(tǒng)的低功率LED。

圖1多層PCB的散熱基板

　　金屬基印制板(MCPCB)

　　由于PCB的熱導(dǎo)率差﹑散熱效能差﹐只適合傳統(tǒng)低瓦數(shù)的LED。因此后來再將印刷電路基板貼附在一金屬板上﹐即所謂的MetalCorePCB。金屬基電路板是由金屬基覆銅板(又稱絕緣金屬基板)經(jīng)印刷電路制造工藝制作而成。

　　根據(jù)使用的金屬基材的不同，分為銅基覆銅板、鋁基覆銅板、鐵基覆銅板﹐一般對于LED散熱大多應(yīng)用鋁基板。如下圖：

圖2金屬基電路板的結(jié)構(gòu)

　　MCPCB的優(yōu)點：

　?。?）散熱性

　　常規(guī)的印制板基材如FR4是熱的不良導(dǎo)體，層間絕緣，熱量散發(fā)不出去。而金屬基
印制板可解決這一散熱難題。

　　（2）熱膨脹性 　

　　熱脹冷縮是物質(zhì)的共同本性，不同物質(zhì)CTE(Coefficientofthermalexpansion)即熱
膨脹系數(shù)是不同的。印制板(PCB)的金屬化孔壁和相連的絕緣壁在Z軸的CTE相差很大，產(chǎn)生的熱不能及時排除，熱脹冷縮使金屬化孔開裂、斷開。金屬基印制板可有效地解決散熱問題，從而使印制板上的元器件不同物質(zhì)的熱脹冷縮問題緩解，提高了整機(jī)和電子設(shè)備的耐用性和可靠性。

　　（3）尺寸穩(wěn)定性

　　金屬基印制板，顯然尺寸要比絕緣材料的印制板穩(wěn)定得多。鋁基印制板、鋁夾芯板，從30℃加熱至140~150℃，尺寸變化為2.5~3.0%. MCPCB的結(jié)構(gòu) 目前市場上采購到的標(biāo)準(zhǔn)型金屬基覆銅板材由三層不同材料所構(gòu)成：銅、 絕緣層、金屬板（銅、鋁、鋼板），而鋁基覆銅板最為常見。

　　a）金屬基材

　　以美國貝格斯為例﹐見下表(圖3)：

　　b）絕緣層

　　起絕緣層作用，通常是50~200um。若太厚，能起絕緣作用，防止與金屬基短路的效果好，但會影響熱量的散發(fā)；若太薄，能較好散熱，但易引起金屬芯與組件引線短路。

　　絕緣層（或半固化片），放在經(jīng)過陽極氧化，絕緣處理過的鋁板上，經(jīng)層壓用表面的銅層牢固結(jié)合在一起。

　　c）銅箔

　　銅箔背面是經(jīng)過化學(xué)氧化處理過的，表面鍍鋅和鍍黃銅，目的是增加抗剝強(qiáng)度。銅厚通常為0.5、1.2盅司。如美國貝格斯公司使用的是ED銅，銅厚有1、2、3、4、6盅司5種。我們?yōu)橥ㄐ烹娫磁涮字谱鞯匿X基板使用的是4盅司的銅箔（140微米）。

　　MCPCB技術(shù)參數(shù)和特點

技術(shù)參數(shù)(圖4)

　　產(chǎn)品特點﹕

　　(1)絕緣層薄，熱阻小

　　(2)機(jī)械強(qiáng)度高

　　(3)標(biāo)準(zhǔn)尺寸：500×600mm

　　(4)標(biāo)準(zhǔn)尺寸：0.8、1.0、1.2、1.6、2.0、3.0mm

　　(5)銅箔厚度:18um、35um、70um、105um

　　MCPCB應(yīng)用產(chǎn)品舉例(圖5)

　　陶瓷基板(CeramicSubstrate)

　　CeramicSubstrate: 以燒結(jié)的陶瓷材料作為LED封裝基板，具有絕緣性，無須介電層，有不錯的熱傳導(dǎo)率，熱膨脹系數(shù)(4.9~8ppm/K)，與LEDchip、Si基板或Sapphire較匹配，比較不會因熱產(chǎn)生熱應(yīng)力及熱變形。

　　典型的陶瓷基板，如AIN，其熱導(dǎo)率約在170~230W/m.K，熱膨脹系數(shù)3.5~5ppm/K。價格較貴，尺寸限于4.5平方英寸以下，無法用于大面積面板，適合高溫環(huán)境高功率LED使用。

AlN陶瓷基板與其它材料之熱特性比較(圖7)

　　AlN陶瓷基板有不錯的熱傳導(dǎo)率，熱膨脹系數(shù)LEDchip(CTE=5ppm/K)較匹配。

　　直接銅結(jié)合基板(DBCSubstrate)

　　特點︰

　　在金屬基板直接共燒接合陶瓷材料，兼具高熱傳導(dǎo)率及低熱膨脹性，還具介電性。

　　由德國Curamik公司所發(fā)展的直接銅接合基板，是在銅板與陶瓷(Al2O3、AlN)之間，先通入O2使其與Cu響應(yīng)生成CuO，同時使純銅的熔點由1083℃降低至1065℃的共晶溫度。接著加熱至高溫使CuO與Al2O3或AlN回應(yīng)形成化合物，而使銅板與陶瓷介電層緊密接合在一起。(圖5)

　　此種含介電層的銅基板具有很好的熱擴(kuò)散能力，且介電層如為Al2O3則其熱傳導(dǎo)率為24W/m.K，熱膨脹系數(shù)7.3ppm/K，如為AlN則其熱傳導(dǎo)率為170W/m.K，熱膨脹系數(shù)5.6ppm/K，比前幾種基板具有更佳的熱效能，同時適合于高溫環(huán)境及高功率或高電流LED之使用。

圖8直接銅板接合基板之制作流程

各種LED基板材料的特性比較(圖9)

　　應(yīng)根據(jù)實際產(chǎn)品應(yīng)用選擇基板材料，低功率LED發(fā)熱量不大，用PCB基板即可，對高功率LED，為滿足其散熱要求，采用MCPCB基板，陶瓷基板或DCB基板，滿足性能要求時，則應(yīng)考慮其成本。

　　LED導(dǎo)熱界面材料

　　為什么要用界面材料?

　　由于散熱器底面與LED芯片表面之間會存在很多溝壑或空隙，其中都是空氣。由于空氣是熱的不良導(dǎo)體，所以空氣間隙會嚴(yán)重影響散熱效率，使散熱器的性能大打折扣，甚至無法發(fā)揮作用。為了減小芯片和散熱器之間的空隙，增大接觸面積，必須使用導(dǎo)熱性能好的導(dǎo)熱材料來填充，如導(dǎo)熱膠帶、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱硅酯、導(dǎo)熱黏合劑、相轉(zhuǎn)變材料等。

　　Liqui-BondSA2000導(dǎo)熱膠(example)

　　介紹

　　Liqui-BondSA2000是由深圳恒通熱導(dǎo)公司生產(chǎn)的一種高導(dǎo)熱性而絕緣的硅膠粘劑。它在低溫或高溫的情況下都能保持良好的機(jī)械性能和化學(xué)性能.這種物質(zhì)的韌性有助于在熱傳導(dǎo)中減低CTE壓力,同時由于該產(chǎn)品在升溫過程中產(chǎn)生固化。

　　特征：

　　導(dǎo)熱性:導(dǎo)熱系數(shù)為2.0W/m-K

　　消除機(jī)械固件需求

　　穩(wěn)定的機(jī)械性能和化學(xué)性能

　　嚴(yán)峻環(huán)境下仍能保持物體結(jié)構(gòu)形態(tài)

　　應(yīng)用:

　　大功率LED和散熱基板粘接

　　在凹凸不平的表面粘接元器件

　　DM6030HK-SD高導(dǎo)熱銀膠(example)

　　介紹：

　　DM6030HK-SD是是由深圳恒通熱導(dǎo)公司生產(chǎn)的一種高導(dǎo)熱摻銀有機(jī)粘接劑，專門為大功率LED粘接固定芯片應(yīng)用而開發(fā)設(shè)計的新產(chǎn)品。該產(chǎn)品對分配和粘接大量部件（dice）時具有較長時間的防揮發(fā)、干涸能力，并可防止樹脂在加工前飛濺溢出。

　　產(chǎn)品特征：

　　具有高導(dǎo)熱性:導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)50w/m.k

　　低電阻:電阻低至10μcm

　　可替代焊接劑

　　可在室溫下存儲和運(yùn)輸

　　良好的流動性

　　應(yīng)用:

　　HighPowerLED芯片封裝粘接

　　一般的金屬模焊接

　　HN-G高性能導(dǎo)熱硅脂(example)

　　介紹：

　　HN–G導(dǎo)熱硅脂為深圳博恩事業(yè)有限公司生產(chǎn)﹐專為各種儀器儀表及電子元器件與組合體的填充而研制開發(fā)的一種高導(dǎo)熱絕緣有機(jī)硅材料。廣泛涂敷于各種電子產(chǎn)品，電器設(shè)備中的發(fā)熱體（功率管、可控硅、電熱堆等）與散熱設(shè)施（散熱片、散熱條、殼體等）之間的接觸面，起傳熱媒介作用。

性能參數(shù)[圖11]：

　　散熱器

　　作用﹕

　　散熱器的作用就是吸收基板或芯片傳遞過來的熱量，然后發(fā)散到外界環(huán)境，保證LED芯片的溫度正常。絕大多數(shù)散熱器均經(jīng)過精心設(shè)計，可適用于自然對流和強(qiáng)制對流的情況。以aavid62500為例。

圖12aavid62500散熱器

　　性能參數(shù)[1]：

　　?熱阻Θ=4.6°C/W

　　?材料=Al6063-T5擠壓成型

　　?重量=100g

　　?發(fā)射率=0.85

　　?散熱片效率=98.9%

　　?輸入熱量=5W

　　?熱源=0.57X0.57

　　?5W時散熱溫度=46.9°C

　　高功率LED的熱沉結(jié)構(gòu)

　　如何將LED器件產(chǎn)生的熱量有效耗散到環(huán)境中也是一個關(guān)鍵。常用的熱沉結(jié)構(gòu)分為被動和主動散熱。對于大功率LED封裝，則必須采用主動散熱，如翅片＋風(fēng)扇、熱管、液體強(qiáng)迫對流、微通道致冷、相變致冷等。

　　(1)在功率密度不高、成本要求較低的情況下，優(yōu)先采用翅片＋風(fēng)扇的散熱方法；

　　(2)對于成本要求不高、功率密度中等、封裝尺寸小的應(yīng)用，則采用熱管比較合適；

　　(3)而對于功率密度較高，要求LED器件溫度較低的場合，采用液體強(qiáng)迫對流和微通道致冷比較可行。

　　結(jié)論

　　LED電致發(fā)光過程產(chǎn)生的熱量和工作環(huán)境溫度(Ta)的不同,引起LED芯片結(jié)點溫度Tj的變化.LED是溫度敏感器件,當(dāng)溫度變化時,LED的性能和封裝結(jié)構(gòu)都會受到影響,從而影響LED的可靠性。

　　在散熱設(shè)計上，最重要的課題是有效降低芯片發(fā)光層至環(huán)境的熱阻。因此，選用合適的散熱基板﹑界面材料﹑散熱器就顯得非常有必要。

　　LED照明燈具的結(jié)構(gòu)形狀可能千差萬別，可能會形成不同的散熱材料的組合體，然而最終要考慮散熱及出光通道的最優(yōu)化為基礎(chǔ)。