LED散熱模塊熱傳材料介紹

概述

　　在LED產品應用中﹐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模塊結構的角色外﹐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晶體產生的熱傳派出去﹐因此在材料選擇上必須兼顧結構強度及散熱方面的要求。

　　傳統LED由于LED發熱量不大﹐散熱問題不嚴重﹐因此只要運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模塊即可直接將導線接合在電路層上。同時為避免因介電層的導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，其熱傳導率0.36W/m.K，熱膨脹系數在13~17ppm/K。可以單層設計，也可以是多層銅箔設計(如圖2)。優點︰技術成熟，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的熱導率差﹑散熱效能差﹐只適合傳統低瓦數的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)經印刷電路制造工藝制作而成。

　　根據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散熱大多應用鋁基板。如下圖：

圖2金屬基電路板的結構

　　MCPCB的優點：

　　（1）散熱性

　　常規的印制板基材如FR4是熱的不良導體，層間絕緣，熱量散發不出去。而金屬基
印制板可解決這一散熱難題。

　　（2）熱膨脹性 　

　　熱脹冷縮是物質的共同本性，不同物質CTE(Coefficientofthermalexpansion)即熱
膨脹系數是不同的。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的熱脹冷縮問題緩解，提高了整機和電子設備的耐用性和可靠性。

　　（3）尺寸穩定性

　　金屬基印制板，顯然尺寸要比絕緣材料的印制板穩定得多。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的結構 目前市場上采購到的標準型金屬基覆銅板材由三層不同材料所構成：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；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），放在經過陽極氧化，絕緣處理過的鋁板上，經層壓用表面的銅層牢固結合在一起。

　　c）銅箔

　　銅箔背面是經過化學氧化處理過的，表面鍍鋅和鍍黃銅，目的是增加抗剝強度。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。我們為通信電源配套制作的鋁基板使用的是4盅司的銅箔（140微米）。

　　MCPCB技術參數和特點

技術參數(圖4)

　　產品特點﹕

　　(1)絕緣層薄，熱阻小

　　(2)機械強度高

　　(3)標準尺寸：500×600mm

　　(4)標準尺寸：0.8、1.0、1.2、1.6、2.0、3.0mm

　　(5)銅箔厚度:18um、35um、70um、105um

　　MCPCB應用產品舉例(圖5)

　　陶瓷基板(CeramicSubstrate)

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

　　典型的陶瓷基板，如AIN，其熱導率約在170~230W/m.K，熱膨脹系數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率，熱膨脹系數LEDchip(CTE=5ppm/K)較匹配。

　　直接銅結合基板(DBCSubstrate)

　　特點︰

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

　　由德國Curamik公司所發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散能力，且介電層如為Al2O3則其熱傳導率為24W/m.K，熱膨脹系數7.3ppm/K，如為AlN則其熱傳導率為170W/m.K，熱膨脹系數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)

　　應根據實際產品應用選擇基板材料，低功率LED發熱量不大，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，則應考慮其成本。

　　LED導熱界面材料

　　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體，所以空氣間隙會嚴重影響散熱效率，使散熱器的性能大打折扣，甚至無法發揮作用。為了減小芯片和散熱器之間的空隙，增大接觸面積，必須使用導熱性能好的導熱材料來填充，如導熱膠帶、導熱墊片、導熱硅酯、導熱黏合劑、相轉變材料等。

　　Liqui-BondSA2000導熱膠(example)

　　介紹

　　Liqui-BondSA2000是由深圳恒通熱導公司生產的一種高導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械性能和化學性能.這種物質的韌性有助于在熱傳導中減低CTE壓力,同時由于該產品在升溫過程中產生固化。

　　特征：

　　導熱性:導熱系數為2.0W/m-K

　　消除機械固件需求

　　穩定的機械性能和化學性能

　　嚴峻環境下仍能保持物體結構形態

　　應用:

　　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高導熱銀膠(example)

　　介紹：

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

　　產品特征：

　　具有高導熱性:導熱系數高達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輸

　　良好的流動性

　　應用:

　　HighPowerLED芯片封裝粘接

　　一般的金屬模焊接

　　HN-G高性能導熱硅脂(example)

　　介紹：

　　HN–G導熱硅脂為深圳博恩事業有限公司生產﹐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的一種高導熱絕緣有機硅材料。廣泛涂敷于各種電子產品，電器設備中的發熱體（功率管、可控硅、電熱堆等）與散熱設施（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[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，然后發散到外界環境，保證LED芯片的溫度正常。絕大多數散熱器均經過精心設計，可適用于自然對流和強制對流的情況。以aavid62500為例。

圖12aavid62500散熱器

　　性能參數[1]：

　　?熱阻Θ=4.6°C/W

　　?材料=Al6063-T5擠壓成型

　　?重量=100g

　　?發射率=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的熱沉結構

　　如何將LED器件產生的熱量有效耗散到環境中也是一個關鍵。常用的熱沉結構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＋風扇、熱管、液體強迫對流、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，優先采用翅片＋風扇的散熱方法；

　　(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，采用液體強迫對流和微通道致冷比較可行。

　　結論

　　LED電致發光過程產生的熱量和工作環境溫度(Ta)的不同,引起LED芯片結點溫度Tj的變化.LED是溫度敏感器件,當溫度變化時,LED的性能和封裝結構都會受到影響,從而影響LED的可靠性。

　　在散熱設計上，最重要的課題是有效降低芯片發光層至環境的熱阻。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照明燈具的結構形狀可能千差萬別，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化為基礎。