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由丁 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届板上，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

2、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届基板，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，一般用丁传统的低功率LED。DSLT-糜PTH &Muhihw2T-Preg* Metal Base图1多层PCB的散热

3、基板金届基印制板（MCPCB）由丁 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届板上，即所谓的 Metal Core PCB金届基电路板 是由金届基覆铜板（乂称绝缘金届基板）经印刷电路制造工艺制作而成。根据使用的金届基材的不同，分为铜基覆铜板、铝基覆铜板、铁基覆铜板, 股对丁 LED散热大多应用铝基板。如下图：图2金属基电路板的结构绝缘导热层金属狗、中国半导体照明网_ wwwxtlMCPCB的优点：(1) 散热性常规的印制板基材如FR4是热的不良导体，层问绝缘，热量散发不出去。而金届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

4、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*勺金届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，热胀冷缩使金届化孔开裂、断开。金届基印 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) 尺寸稳定性金届基印制板，显然尺寸要比绝缘材料的印制板稳定得多。铝基印制板、铝火芯板，从30C加热至14015(T，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届基覆铜板材由三层不同材料所构成：铜、

5、绝缘层、金届板(铜、铝、钢板)，而铝基覆铜板最为常见。a) 金届基材以美国贝格斯为例，见下表(图3):翔腥材质口厚度规格，扩张强度Q延伸率丁铝基基材LF、L4M、Lyl2 琢/1.0, L6. 2, 3,2mm30kgf5怜一铝蝴打C11000铜合金/1.0-3; 2mm*525-32kgf mm2-15怜铁基基材*冷轧钢，殷桐L0.b) 绝缘层起绝缘层作用，通常是50200um=若太厚，能起绝缘作用，防止与金届基 短路的效果好，但会影响热量的散发；若太薄，能较好散热，但易引起金届芯与 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

6、。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技术参数和特点产品型号抗瞬 度提冲击湛泄试脂 C2®8*C)击宁电压常数因数表面电 阻率体积重阻 率导热系数平均的1 阻MS- H012分舛不分悬、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分舛不分层、 不起泡4 0K¥(A£)3. T0 032I X 10fiM1 X0 T517wi . K1,42TVS- G42分舛不分层.不起海3.0KVE)3.70.0321X®8讪VJ、vwvx 曲 ina翎明网阂Met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 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、105umMCPCB应用产品举例持

8、昧M膜知特殊】W模?K高字热模蛆适合3筋单粒矿打模姐适会洲竿粒矿灯模妞适合1W单粒灯模组适合质投尤灯12W-18W投光灯10W投光灯9W适合小功率LED插装可折弯的铝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 5

9、ppm/K。价格较贵，尺寸限丁 4.5平方英寸以下，无法用丁大面积面板，适合高 温环境高功率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图7 AlN 陶瓷基板与其它材料之热特性比较AlN陶瓷基板有不错的热传导率，热膨胀系数 LED chip （CTE=5ppm/K胶匹配。直接铜结合基板（DBC Substrate）特点：在金届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 C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

11、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，同时适合丁高温环境及 高功率或高电流LED之使用。CuAI：O4图8直接铜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飞 H堤h Pieces，& Oper.itinj? Temperatures (up to 800" C), Easily Handles High Powa & C iincnt图9 各种LED基板材料的特性比较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？超过8蠲的接触面是空气图10 LED界面间隙由丁散热器底面与LED芯片表面之间会存在很多沟壑或空隙，其中都是空气。由丁空气是热

15、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I何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 质的韧性有助丁在热传导中减低 CTE压力，同时由丁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

16、；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-S D是是由深圳包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10 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芯片封装粘接；一般的

17、金届模焊接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。广泛涂敷丁各种电子产品，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。质量指标白色脂状物> 1.0170-300iiJ5F用户要求调配）<25测试方法目测FOCT8 140-S2GB2S9 戚 GBT269SHH'0324-92序号性能项目1 外观2 导热系数：W/14 K3 镌入度4 油禹度（200 24h）. %5挥发份200

18、 r. 24h. %< 2D6金犀腐蚀试批（铝、钢、前）合格7体积电阻率a m> 5x10138电反击穿强度MV/m> 12SHrrO32492SHr1985曜不中国半导体照明网 般崎 a-lednet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，可适用丁自然对 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=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 0 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。对丁大功率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) 对丁成本要求不高