常見LED散熱基板材料介紹

　　在LED產(chǎn)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(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Metal Core PCB，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(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Metal Core PCB。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。

　?。?）熱膨脹性 　

　　熱脹冷縮是物質(zhì)的共同本性，不同物質(zhì)CTE(Coefficient of thermal expansion)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準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?yōu)?span id="drprhtp" class=hrefStyle>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(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(chǎn)品舉例(圖5)

　　陶瓷基板(Ceramic Substrate)

　　Ceramic Substrate: 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，有不錯的熱傳導率，熱膨脹系數(shù)(4.9 ~ 8ppm/K)，與LED chip、Si基板或Sapphire較匹配，比較不會因熱產(chǎn)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(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率，熱膨脹系數(shù)LED chip (CTE=5ppm/K)較匹配。

　　直接銅結(jié)合基板(DBC Substrate)

　　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。
允許制程溫度、運作溫度達800℃以上。

　　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(shù)7.3ppm/K，如為AlN則其熱傳導率為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)

　　應根據(jù)實際產(chǎn)品應用選擇基板材料，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，則應考慮其成本。

　　LED導熱界面材料

　　為什么要用界面材料?

圖10 LED界面間隙
　　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(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(zhuǎn)變材料等。

　　Liqui-Bond SA2000導熱膠(example)

　　介紹

　　Liqui-Bond SA2000是由深圳恒通熱導公司生產(chǎn)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(zhì)的韌性有助于在熱傳導中減低CTE壓力,同時由于該產(chǎn)品在升溫過程中產(chǎn)生固化 。

　　特征：

　　導熱性: 導熱系數(shù)為2.0 W/m-K

　　消除機械固件需求

　　穩(wěn)定的機械性能和化學性能

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

　　應用:

　　大功率LED和散熱基板&search=1