常见LED散热基板材料介绍

1、常见LED散热基板材料介绍概述在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已缺乏以应付散热 需求.因此需再将印刷电路板贴附在一金属板上,即所谓的MetalCore PCB以改善其传热路径.另外也有一种做法直接在铝基板外表直接作绝缘层或称介电层,再在介电层外表

2、作电路层,如此LED模块即可直接将导线接合在电路层上. 同时为预防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,并作了比拟.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,本钱低廉,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LEDPTH&DSLT-jxe?'2T-Preg 'Metal Base图1多层PCB的散热基板金属基印制板

3、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 MetalCore 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, 般对于LED散热大多应用铝基板.如下列图：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 CTECoefficie nt of thermal expa nsio n 即热膨胀系数是

4、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,提升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30C加热至140150C,尺寸变化为2.53.0%. MCPCB勺结构 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:类别心材质厚度规格口扩张强度心延伸

5、率4铝基基材存LF、L4M,心Lyl2铝桁1.0, 1.6, 2,3.2mm 口30kgf5%铝基基材卩C11000铜合金心1.0-3.2mm*325-32kgf mm2*215%p铁基基材,冷轧钢、殷铜,IO 2,3mmQb绝缘层起绝缘层作用,通常是50200um假设太厚,能起绝缘作用,预防与金属基 短路的效果好,但会影响热量的散发；假设太薄,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 用外表的铜层牢固结合在一起.C铜箔铜箔反面是经过化学氧化处理过的, 外表镀锌和镀黄铜,目的是增加抗剥强 度.铜厚通常为0.5 1.2盅司.如美国

6、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技术参数和特点品4 产型度CS8*C)击穿电压5电常数旳處損耗胆宰阻WS-HDI24M/cirf2分钟不分层、 不越適血QKV (2)4 60 0156 2X10：MQL7X10'NQjii1. K0 9S5ias-HJ22W2分钾不分島7&9810 0KV (AC)4.30.0186. IX10>101,4>1.3 T/fi* KC.75 *C/Wirs-0322M/«»z分會不分屣. 不起泡4 0KV (

7、A£)3.70 0321X10n1 X wi20 TST/n K1.425MS*04不分层、 不起翹3.DKV (A£>3 T 032vwvzdtiina【斶明网1 囱Hot图4 技术参数产品特点：1绝缘层薄,热阻小 机械强度高3标准尺寸：500X 600mm4标准尺寸：0.8、1.0、1.2、1.6 2.0 3.0mm5铜箔厚度:18um、35um 70um、105umMCPCB应用产品举例棘赋iw樸纽詩殊iw橫组高予热模纽适合3W单粒旷灯撲俎适合汕举粒矿灯橫纽适合训单粒灯模组适合训 彳,* J. J= J *' 耳Xj投光灯12W-18W投光灯low投光灯

8、测适合小功率LED描装可折弯的掘基板大功率贴装散热板图5 MCPCB应用产品举例陶瓷基板(Ceramic Substrate)图6陶瓷散热基板Ceramic Substrate以烧结的陶瓷材料作为LED圭寸装基板,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,比拟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.K laterialIlKnnal

9、Cond. (W/mK)CTE (ppm K)Specific Gi'avitySpecific Tlieiinal Cond (W nrK)Silicon150442.365Galliiiin Arsenide546.55.38Gallium66 J21Alumina20(5,7Z5.1Aluminum Nitride170-2303.5-S.73,351-T0Ahmiinuni150-230232.750-70Copper4001745AlSiC20084367图7 AIN陶瓷基板与其它材料之热特性比拟AlN陶瓷基板有不错的热传导率,热膨胀系数 LED chip CTE=5ppm/

10、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800C以上.由德国Curamik公司所开展的直接铜接合基板,是在铜板与陶瓷AI2O3、AIN 之间,先通入O2使其与Cu响应生成CuO,同时使纯铜的熔点由1083C降低至 1065C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水平, 且介电层如为Al2O3那么其热 传导率为24W/m.K,热膨胀系数7.3ppm/K,如为AlN那么其热传

11、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.CuAhO4图8直接铜板接合基板之制作流程思枫科HPCB Low Perfomuncc & com (C'TE 1 3-l7ppm K-0.36W ni* LarceSizes, up to .004 ( lOOuni) Cu TliicknessMCPCBCore PCB) Nfoderat« to High cost, lugh C TH (17-23ppm) Low Tbcnital C onducti tT) Tlirougii

12、Diekctnc(.Kl-2 2W iu K) Operaiin T亡mptrature Linured ro -140 C. Ptocs Temperature Linii：ed to 250<300X Large Panel Sizes (IS x 24 ), Thick C it Available tor Hear Spreading (l-20nul)AIN) NCednini High Cost, Low C TE (4.<> SppuiX Medium ro High PiejiinJ C onductivi (K-2-I4 70W m-Ki SuuU Pnd(

13、 4 5"* 'en Hieh Operating Teinpcranire. EasilyHigh PcucrDBC(Direct Bond Cu) Medium to High Cost. Low CTE (5.3-7 5ppm) High Tltefiiial PMfoniuiice (24-170W in K) with Thick Cu for Excelknr Heat Spreading斗niik) High Piocess & Opcmtmg Temperatures Cup to &00tt C) Easily Handles High Po

14、wct 盘 C iincnt图9 各种LED基板材料的特性比拟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,那么应考虑其本钱.LED导热界面材料为什么要用界面材料？超J±8Q%的接触面是空气图10 LED界面间隙由于散热器底面与LED芯片外表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

15、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-Bo nd 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；在凹凸不平的外表粘接元器件DM6030HK-SD 高导热银胶 example 介绍

16、：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、干涸水平,并可预防树脂在 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10卩cm 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芯片圭寸装粘接；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

17、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.序号性能顶目质量指标测试方法1外观白色脂伏物目測2导热系数：W/I4.K> 1.0170-300按用尸要求调 配F0CT8 140-823推入度GB269 « GB；T2694油寓度 (20012.24h). %< 2 5Sm0324-925挥发份(200 IS. 24h). %< 2.DSH/T0324-926金隔腐悭试脸铝、钢.洞合格Sm0331-927体积电阻率Q m> 5x1013pF<T5654-1985:飞中国半导体照明网

18、8电压击穿强度MV/m> 12J一£J?-ted. net图11性能参数散热器作用：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.1 50Q156散热器性能参数1：?热阻® = 4.6 ° C/W?材料=ai 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,那么必须采用主动散热,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、本钱要求较低的情况下,优先采用翅片+风扇的散 热方法；(2) 对于本钱要求不高、功率