常見LED散熱基板材料介紹

1、常見LED散熱基板材料介紹概述在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)強度及散熱方面的要求。傳統(tǒng)LED由丁 LED發(fā)熱量不大，散熱問題不嚴(yán)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(yīng)付散熱 需求。因此需再將印刷電路板貼附在一金屆板上，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

2、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屆基板，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 可以單層設(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，一般用丁傳統(tǒng)的低功率LED。DSLT-糜PTH &Muhihw2T-Preg* Metal Base圖1多層PCB的散熱

3、基板金屆基印制板（MCPCB）由丁 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屆板上，即所謂的 Metal Core PCB金屆基電路板 是由金屆基覆銅板（乂稱絕緣金屆基板）經(jīng)印刷電路制造工藝制作而成。根據(jù)使用的金屆基材的不同，分為銅基覆銅板、鋁基覆銅板、鐵基覆銅板, 股對丁 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)絕緣導(dǎo)熱層金屬狗、中國半導(dǎo)體照明網(wǎng)_ wwwxtlMCPCB的優(yōu)點：(1) 散熱性常規(guī)的印制板基材如FR4是熱的不良導(dǎo)體，層問絕緣，熱量散發(fā)不出去。而金屆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

4、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*勺金屆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，熱脹冷縮使金屆化孔開裂、斷開。金屆基印 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)定性金屆基印制板，顯然尺寸要比絕緣材料的印制板穩(wěn)定得多。鋁基印制板、鋁火芯板，從30C加熱至14015(T，尺寸變化為2.53.0%. MCPCB勺結(jié)構(gòu) 目前 市場上采購到的標(biāo)準(zhǔn)型金屆基覆銅板材由三層不同材料所構(gòu)成：銅、

5、絕緣層、金屆板(銅、鋁、鋼板)，而鋁基覆銅板最為常見。a) 金屆基材以美國貝格斯為例，見下表(圖3):翔腥材質(zhì)口厚度規(guī)格，擴張強度Q延伸率丁鋁基基材LF、L4M、Lyl2 琢/1.0, L6. 2, 3,2mm30kgf5憐一鋁蝴打C11000銅合金/1.0-3; 2mm*525-32kgf mm2-15憐鐵基基材*冷軋鋼，殷桐L0.b) 絕緣層起絕緣層作用，通常是50200um=若太厚，能起絕緣作用，防止與金屆基 短路的效果好，但會影響熱量的散發(fā)；若太薄，能較好散熱，但易引起金屆芯與 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

6、。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 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)和特點產(chǎn)品型號抗瞬 度提沖擊湛泄試脂 C2®8*C)擊寧電壓常數(shù)因數(shù)表面電 阻率體積重阻 率導(dǎo)熱系數(shù)平均的1 阻MS- H012分舛不分懸、不起泡$0 0KV(心460.0156 2X10MQ1 7X lO'MQjn1.13T/1) -Ko «IMS- HD2io m (iuc>4,30.0

7、186. IX10:HO1.4X】0九m1.3 r/fi K0,755IiS- 03&田52分舛不分層、 不起泡4 0K¥(A£)3. T0 032I X 10fiM1 X0 T517wi . K1,42TVS- G42分舛不分層.不起海3.0KVE)3.70.0321X®8訕VJ、vwvx 曲 ina翎明網(wǎng)閡Met圖4 技術(shù)參數(shù)產(chǎn)品特點：(1)絕緣層薄，熱阻小 機械強度高(3)標(biāo)準(zhǔn)尺寸：500X 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、105umMCPCB應(yīng)用產(chǎn)品舉例持

8、昧M膜知特殊】W模?K高字熱模蛆適合3筋單粒礦打模姐適會洲竿粒礦燈模妞適合1W單粒燈模組適合質(zhì)投尤燈12W-18W投光燈10W投光燈9W適合小功率LED插裝可折彎的鋁基板大功率貼裝散熱板圖5 MCPCB應(yīng)用產(chǎn)品舉例陶瓷基板(Ceramic Substrate)圖6 陶瓷散熱基板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(dǎo)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(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 5

9、ppm/K。價格較貴，尺寸限丁 4.5平方英寸以下，無法用丁大面積面板，適合高 溫環(huán)境高功率LED使用。K kterialTlKnnal Cond. (W/mK)CTE(ppm K)Specific Gi'avitySpecific Ihmml Cond (W nrK)Silicon1504.12.365Gallium Arsenade546.55.38Gallium Ni tilde：3：66.121Aluniiiia206.7Aluniuiiuii Xitnde170-2303.5-5.73.351-70Aluminum150-230232.750-70Copper400178_9

10、45AlSiC2008.4367圖7 AlN 陶瓷基板與其它材料之熱特性比較AlN陶瓷基板有不錯的熱傳導(dǎo)率，熱膨脹系數(shù) LED chip （CTE=5ppm/K膠匹配。直接銅結(jié)合基板（DBC Substrate）特點：在金屆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。允許制程溫度、運作溫度達 800 C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(yīng)生成CuO,同時使純銅的熔點由1083C降低至 1065C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

11、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(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，同時適合丁高溫環(huán)境及 高功率或高電流LED之使用。CuAI：O4圖8直接銅板接合基板之制作流程PCB, Low Perfomuncc & com1 3-l7ppni K-036W ni*Pa nt 1 Sizes, up to .004 (lOOuni) Cu TliicknessMCPCB(MetCore PCB) Moderate

12、to High cost, lugb CTE (17-23ppni) Low IbcniKjl C onducti iT)' Tlirough Diekctnc(Kl-2 2W iu K) Operating Temperaiurt Linured ro -140 C. Process Temperature Linii：ed to 250*300X, Lcugw Panel Sizes (IS x 24 ), Tlnck Cu liable fbr Heat SpreadingCeramic (AlQrAlN), Mednini rp High Cost, Low CTE (4.&l

13、t;> SppmX Medium ro High Piejiiol C onducnvi(k-2-1 170W m-Ki Snnll Pane-l Slzn ( 4 5" sqj* cn Hifih Operung Teinperanire. EasilyHigh PoucrDBC (Direct Bond Cit) Medium to High Com. Low CTE (S 3-7 Sppm) High Tlteninl Perfoniuiice (24-170W in K; with Thick Cu for Excelknt Het Spreading 5-24nuJ5

14、) 0飛 H堤h Pieces，& Oper.itinj? Temperatures (up to 800" C), Easily Handles High Powa & C iincnt圖9 各種LED基板材料的特性比較應(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？超過8蠲的接觸面是空氣圖10 LED界面間隙由丁散熱器底面與LED芯片表面之間會存在很多溝壑或空隙，其中都是空氣。由丁空氣是熱

15、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-Bond SA2000 導(dǎo)熱膠(example)介紹Liqui-Bond SA2000是由深圳I何通熱導(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械性能和化學(xué)性能.這種物 質(zhì)的韌性有助丁在熱傳導(dǎo)中減低 CTE壓力，同時由丁該產(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2.0 W/m-K;消除機械固件需求

16、；穩(wěn)定的機械性能和化學(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：DM6030 HK-S D是是由深圳包通熱導(dǎo)公司生產(chǎn)的一種高導(dǎo)熱摻銀有機粘接 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50w/m.k；低電阻：電阻低至10 cm可替代焊接劑；可在室溫下存儲和運輸；良好的流動性 應(yīng)用：High Power LED芯片封裝粘接；一般的

17、金屆模焊接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)熱絕緣有機硅材料。廣泛涂敷丁各種電子產(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。質(zhì)量指標(biāo)白色脂狀物> 1.0170-300iiJ5F用戶要求調(diào)配）<25測試方法目測FOCT8 140-S2GB2S9 戚 GBT269SHH'0324-92序號性能項目1 外觀2 導(dǎo)熱系數(shù)：W/14 K3 鐫入度4 油禹度（200 24h）. %5揮發(fā)份200

18、 r. 24h. %< 2D6金犀腐蝕試批（鋁、鋼、前）合格7體積電阻率a m> 5x10138電反擊穿強度MV/m> 12SHrrO32492SHr1985曜不中國半導(dǎo)體照明網(wǎng) 般崎 a-lednet圖11性能參數(shù)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，可適用丁自然對 流和強制對流的情況。以aavid 62500為例。圖12 aavid 62500 散熱器性能參數(shù)1：?熱阻=4.6 ° C/W?材料=Al 6063-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 0 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。對丁大功率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) 對丁成本要求不高