LED散热模块热传材料介绍

概   述

　　在LED产品应用中﹐通常需要将多个led组装在一电路基板上。电路基板除了扮演承载LED模块结构的角色外﹐另一方面﹐随着LED输出功率越来越高,基板还必须扮演散热的角色﹐以将LED晶体产生的热传派出去﹐因此在材料选择上必须兼顾结构强度及散热方面的要求。

　　传统LED由于LED发热量不大﹐散热问题不严重﹐因此只要运用一般的铜箔印刷电路板(PCB)即可。但随着高功率LED越来越盛行PCB已不足以应付散热需求。因此需再将印刷电路板贴附在一金属板上，即所谓的Metal Core PCB，以改善其传热路径。另外也有一种做法直接在铝基板表面直接作绝缘层或称介电层，再在介电层表面作电路层，如此LED模块即可直接将导线接合在电路层上。同时为避免因介电层的导热性不佳而增加热阻抗，有时会采取穿孔方式，以便让LED模块底端的均热片直接接触到金属基板，即所谓芯片直接黏着。 接下来介绍了几种常见的LED基板材料﹐并作了比较。

　　印刷电路基板(PCB)

　　常用FR4印刷电路基板，其热传导率0.36W/m.K，热膨胀系数在13 ~ 17ppm/K。可以单层设计，也可以是多层铜箔设计(如图2)。优点︰技术成熟，成本低廉，可适用在大尺寸面板。缺点︰热性能差，一般用于 传统的低功率LED。 

图1 多层PCB的散热基板

　　金属基印制板(MCPCB)

　　由于PCB的热导率差﹑散热效能差﹐只适合传统低瓦数的LED。因此后来再将印刷电路基板贴附在一金属板上﹐即所谓的Metal Core PCB。金属基电路板是由金属基覆铜板(又称绝缘金属基板)经印刷电路制造工艺制作而成。

　　根据使用的金属基材的不同，分为铜基覆铜板、铝基覆铜板、铁基覆铜板﹐一般对于LED散热大多应用铝基板。如下图：

图2 金属基电路板的结构

　　MCPCB的优点：

　　（1）散热性

　　常规的印制板基材如FR4是热的不良导体，层间绝缘，热量散发不出去。而金属基
印制板可解决这一散热难题。

　　（2）热膨胀性  　

　　热胀冷缩是物质的共同本性，不同物质CTE(Coefficient of thermal expansion)即热
膨胀系数是不同的。印制板(PCB)的金属化孔壁和相连的绝缘壁在Z轴的CTE相差很大，产生的热不能及时排除，热胀冷缩使金属化孔开裂、断开  。金属基印制板可有效地解决散热问题，从而使印制板上的元器件不同物质的热胀冷缩问题缓解，提高了整机和电子设备的耐用性和可靠性。 

　　（3）尺寸稳定性

　　金属基印制板，显然尺寸要比绝缘材料的印制板稳定得多。铝基印制板、铝夹芯板，从30℃加热至140~150℃，尺寸变化为2.5~3.0%. MCPCB的结构 目前市场上采购到的标准型金属基覆铜板材由三层不同材料所构成：铜、 绝缘层、金属板（铜、铝、钢板），而铝基覆铜板最为常见。

　　a）金属基材

　　以美国贝格斯为例﹐见下表(图3)：

　　b）绝缘层

　　起绝缘层作用，通常是50~200um。若太厚，能起绝缘作用，防止与金属基短路的效果好，但会影响热量的散发；若太薄，能较好散热，但易引起金属芯与组件引线短路。

　　绝缘层（或半固化片），放在经过阳极氧化，绝缘处理过的铝板上，经层压用表面的铜层牢固结合在一起。

　　c）铜箔

　　铜箔背面是经过化学氧化处理过的，表面镀锌和镀黄铜，目的是增加抗剥强度。铜厚通常为0.5、1.2盅司。如美国贝格斯公司使用的是ED铜，铜厚有1、2、3、4、6盅司5种。我们为通信电源配套制作的铝基板使用的是4盅司的铜箔（140微米）。

　　MCPCB技术参数和特点

技术参数(图4)

　　产品特点﹕

　　(1) 绝缘层薄，热阻小

　　(2) 机械强度高

　　(3) 标准尺寸：500×600mm

　　(4) 标准尺寸：0.8、1.0、1.2、1.6、2.0、3.0mm

　　(5) 铜箔厚度:18um 、35um、70um 、105um 

　　MCPCB应用产品举例(图5)

　　陶瓷基板(Ceramic Substrate)

　　Ceramic Substrate: 以烧结的陶瓷材料作为LED封装基板，具有绝缘性，无须介电层，有不错的热传导率，热膨胀系数(4.9 ~ 8ppm/K)，与LED chip、Si基板或Sapphire较匹配，比较不会因热产生热应力及热变形。

　　典型的陶瓷基板，如AIN，其热导率约在170 ~ 230W/m.K，热膨胀系数3.5 ~ 5ppm/K。价格较贵，尺寸限于4.5平方英寸以下，无法用于大面积面板，适合高温环境高功率LED使用。

AlN陶瓷基板与其它材料之热特性比较(图7)

　　AlN陶瓷基板有不错的热传导率，热膨胀系数LED chip (CTE=5ppm/K)较匹配。 

　　直接铜结合基板(DBC Substrate)

　　特点︰

　　在金属基板直接共烧接合陶瓷材料，兼具高热传导率及低热膨胀性，还具介电性。

允许制程温度、运作温度达800℃以上。 

　　由德国Curamik公司所发展的直接铜接合基板，是在铜板与陶瓷(Al2O3、AlN)之间，先通入O2使其与Cu响应生成CuO，同时使纯铜的熔点由1083℃降低至1065℃的共晶温度。接着加热至高温使CuO与Al2O3或AlN回应形成化合物，而使铜板与陶瓷介电层紧密接合在一起。 (图5)

　　此种含介电层的铜基板具有很好的热扩散能力，且介电层如为Al2O3则其热传导率为24W/m.K，热膨胀系数7.3ppm/K，如为AlN则其热传导率为170W/m.K，热膨胀系数5.6ppm/K，比前几种基板具有更佳的热效能，同时适合于高温环境及高功率或高电流LED之使用。

图8  直接铜板接合基板之制作流程

各种LED基板材料的特性比较(图9)

　　应根据实际产品应用选择基板材料，低功率LED发热量不大，用PCB基板即可，对高功率LED，为满足其散热要求，采用MCPCB基板，陶瓷基板或DCB基板，满足性能要求时，则应考虑其成本。

　　LED导热界面材料  

　　为什么要用界面材料?

　　由于散热器底面与LED芯片表面之间会存在很多沟壑或空隙，其中都是空气。由于空气是热的不良导体，所以空气间隙会严重影响散热效率，使散热器的性能大打折扣，甚至无法发挥作用。为了减小芯片和散热器之间的空隙，增大接触面积，必须使用导热性能好的导热材料来填充，如导热胶带、导热垫片、导热硅酯、导热黏合剂、相转变材料等。

　　Liqui-Bond SA2000导热胶(example)

　　介绍

　　Liqui-Bond SA2000是由深圳恒通热导公司生产的一种高导热性而绝缘的硅胶粘剂。它在低温或高温的情况下都能保持良好的机械性能和化学性能.这种物质的韧性有助于在热传导中减低CTE压力,同时由于该产品在升温过程中产生固化 。

　　特征：

　　导热性: 导热系数为2.0 W/m-K 

　　消除机械固件需求 

　　稳定的机械性能和化学性能

　　严峻环境下仍能保持物体结构形态

　　应用: 

　　大功率LED和散热基板粘接

　　在凹凸不平的表面粘接元器件

　　DM6030HK-SD高导热银胶 (example)

　　介绍：

　　DM6030 HK-SD是是由深圳恒通热导公司生产的一种高导热掺银有机粘接剂，专门为大功率LED粘接固定芯片应用而开发设计的新产品。该产品对分配和粘接大量部件（dice）时具有较长时间的防挥发、干涸能力，并可防止树脂在加工前飞溅溢出。

　　产品特征：

　　具有高导热性:导热系数高达50w/m.k 

　　低电阻: 电阻低至10μcm

　　可替代焊接剂

　　可在室温下存储和运输

　　良好的流动性

　　应   用: 

　　High Power LED芯片封装粘接

　　一般的金属模焊接

　　HN-G高性能导热硅脂(example) 

　　介绍：

　　HN–G导热硅脂为深圳博恩事业有限公司生产﹐专为各种仪器仪表及电子元器件与组合体的填充而研制开发的一种高导热绝缘有机硅材料。广泛涂敷于各种电子产品，电器设备中的发热体（功率管、可控硅、电热堆等）与散热设施（散热片、散热条、壳体等）之间的接触面，起传热媒介作用。

性能参数[图11] ：

　　散热器

　　作用﹕

　　散热器的作用就是吸收基板或芯片传递过来的热量，然后发散到外界环境，保证LED芯片的温度正常。绝大多数散热器均经过精心设计，可适用于自然对流和强制对流的情况。以aavid 62500为例。

图12 aavid 62500散热器

　　性能参数[1]：

　　?热阻Θ = 4.6 °C/W

　　?材料=Al 6063-T5 挤压成型

　　?重量= 100g

　　?发射率= 0.85

　　?散热片效率= 98.9%

　　?输入热量= 5W

　　?热源= 0.57X0.57

　　?5W时散热温度= 46.9°C

　　高功率LED的热沉结构

　　如何将LED器件产生的热量有效耗散到环境中也是一个关键。常用的热沉结构分为被动和主动散热。 对于大功率LED封装，则必须采用主动散热，如翅片＋风扇、热管、液体强迫对流、微通道致冷、相变致冷等。

　　(1)   在功率密度不高、成本要求较低的情况下，优先采用翅片＋风扇的散热方法；

　　(2) 对于成本要求不高、功率密度中等、封装尺寸小的应用，则采用热管比较合适；

　　(3) 而对于功率密度较高，要求LED器件温度较低的场合，采用液体强迫对流和微通道致冷比较可行。

　　结 论

　　LED电致发光过程产生的热量和工作环境温度(Ta)的不同,引起LED芯片结点温度Tj的变化.LED是温度敏感器件,当温度变化时,LED的性能和封装结构都会受到影响,从而影响LED的可靠性。

　　在散热设计上，最重要的课题是有效降低芯片发光层至环境的热阻。因此，选用合适的散热基板﹑界面材料﹑散热器就显得非常有必要。

　　LED照明灯具的结构形状可能千差万别，可能会形成不同的散热材料的组合体，然而最终要考虑散热及出光通道的最优化为基础。