探討與展望：高功率led封裝的散熱技術

　　長久以來，在對led散熱要求不是很高的情況下，led多利用傳統(tǒng)樹脂基板進行封裝。然而，隨著市場應用領域不斷擴大，需求層次不斷提高，傳統(tǒng)的樹脂基板在高功率led世代到來后，已漸漸不敷使用。因此，探討和展望高功率led的封裝材料，便成為業(yè)界關注的熱點話題。

　　led散熱的原理
　　研究表明，高功率led只能將20%的電能轉化成光能，其余都會以熱能的形式散失。如果高達80%的熱能無法及時散失，那么led的壽命將會因此大打折扣。led的熱能究竟是如何散失的呢？

　　led散熱能力通常受到封裝模式以及封裝材質的導熱性影響，散熱途徑也不外傳導、對流、輻射這三種。由于led封裝材料中積聚的熱能大部分是以傳導方式散失，因此封裝材質的選取就變得尤為重要了。

　　傳統(tǒng)材質已無法滿足高功率led散熱需求

　　隨著市場上越來越多的高功率led應用出現(xiàn)，在考慮如何散失熱能的同時，還要兼顧led發(fā)光的穩(wěn)定性與持續(xù)性。如果led的熱能無法盡快散失，那么其亮度和壽命都將下降得很快。所以，對于高功率led而言，傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂受其特性所限，已不符合其對散熱的需求。

　　在led低功率或一般功率的使用條件下，環(huán)氧樹脂熱傳導率較低和耐熱性較差的缺點還沒被完全凸現(xiàn)。但如果再用環(huán)氧樹脂作為封裝高功率led的材質，則很可能出現(xiàn)led芯片本身壽命還未達到之前，環(huán)氧樹脂就已經無以為繼的情況。
　　此外，不僅散熱現(xiàn)象會使環(huán)氧樹脂產生變化，甚至連短波長也會對環(huán)氧樹脂造成困擾。這是因為在白光led發(fā)光光譜中也包含短波長光線，而環(huán)氧樹脂很容易受到白光led中的短波長光線破壞。即使是低功率的白光led,已能使環(huán)氧樹脂破壞情況加劇，更何況高功率的白光led所發(fā)出的短波長光線更多，惡化現(xiàn)象自然更加快速和嚴重。因此，找到全新材質來替代環(huán)氧樹脂封裝高功率led已經迫在眉睫。

　　led散熱基板類型

　　目前，常見的led散熱基板類型包括：硬式印刷電路板、高熱導系數鋁基板、陶瓷基板、軟式印刷電路板、金屬復合材料，等等。

　　硬式印刷電路板（printedcircuitboard;pcb）多用于各項電子基板，LED控制器但卻無法承受高功率led所散失出的熱能，因此應用局限于低功率和一般功率的led,不具備向高功率led延伸應用的可能。

　　高熱導系數鋁基板（metalcorepcb;mcpcb）是將pcb下方基材改為鋁合金，一般來說，雖然純鋁的散熱系數較鋁合金高，但由于純鋁的硬度不高造成使用上的出現(xiàn)困難，因此只會以鋁合金來當制作基板的材質。

　　陶瓷基板目前有三種，即al2o3（氧化鋁）、ltcc（低溫共燒陶瓷）、aln（氮化鋁）。單就技術水準而言，無疑以氮化鋁最高，低溫共燒陶瓷次之。由低溫共燒陶瓷制作的led基板，雖然有散熱性更好，且耐高溫、耐潮濕等優(yōu)點，但由于其價格高出傳統(tǒng)基板數倍，所以直至今日仍不是制作散熱型基板的理想材質。當然，如果不考慮價格因素，那么陶瓷基板還是當之無愧的首選。

　　軟式印刷電路板（fpc）具有重量輕、厚度薄、可撓、運用空間靈活等優(yōu)點，熱導系數也優(yōu)于傳統(tǒng)pcb基板和mcpcb基板，且應用面積大于陶瓷基板。但是，該技術目前仍處實驗階段，良率偏低，所以尚無法大規(guī)模投產。

　　金屬基板成為高功率led首選

　　通過上述比較，由于金屬基板相對而言性價比最高，因此它也成為led高功率條件下的首選方案。而且，隨著led芯片大型化、大電流化、高功率化發(fā)展，金屬封裝基板取代傳統(tǒng)樹脂封裝基板的腳步也會越來越快。

　　就目前高散熱金屬基板的材質而言，可分成硬質與可撓兩種。LED控制器結構上，硬質基板屬于傳統(tǒng)金屬材質，采用鋁、銅等金屬，絕緣層部分則大多填充高熱導性的無機物。這種金屬基板擁有高熱導性、高耐熱性，以及電磁屏蔽等優(yōu)點，其厚度通常大于1毫米，因此廣泛應用于led燈具模塊和照明模塊當中，大大有助于高功率 led在路燈方面的推廣和普及。

　　可撓基板大有可為

　　一般而言，金屬封裝基板熱導效率大約為2w/m?k.但由于高效率led的散熱要求更高，所以為了滿足4~6w/m?k的熱導效率，目前已經出現(xiàn)熱導效率超過8w/m?k的金屬封裝基板。由于硬質金屬封裝基板主要是為滿足高功率led封裝，因此各封裝基板廠商正在積極開發(fā)可以提高熱導效率的技術。

　　不過，金屬封裝基板同樣具有金屬熱膨脹系數很大的缺點，LED控制器當與低熱膨脹系數的陶瓷芯片進行焊接時，容易受到熱循環(huán)沖擊，所以當使用氮化鋁進行封裝時，金屬封裝基板就可能發(fā)生不協(xié)調現(xiàn)象，因此必需克服led中各種不同熱膨脹系數材料之間的熱應力差異，提高封裝基板的可靠性。

　　可撓基板的出現(xiàn)，恰恰解決了上述難題。高熱傳導可撓基板，是在絕緣層上黏貼金屬箔，雖然基本結構與傳統(tǒng)可撓基板完全相同，但在絕緣層方面，LED控制器卻是采用軟質環(huán)氧樹脂充填高熱傳導性無機物，因此具有8w/m?k的高熱傳導性，同時還兼具柔軟可撓與高可靠性的優(yōu)點。此外，可撓基板還可依照客戶需求，將單面單層板設計成單面雙層、雙面雙層板。根據實驗結果顯示，使用高熱傳導可撓基板可使led的溫度大約降低100攝氏度，這可大為提高led的使用壽命。