铝基板LED散热模块热传材料分析

1、小强铝基板制作 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

2、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 。 小强铝基板制作 图 1 多层

3、 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 小强铝基板制作 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

4、 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， 30加热至 140150， 从 尺寸变化为 2.53.0%. MCPCB 的结构 目前市场

5、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： 小强铝基板制作 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

6、 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 小强铝基板制作 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 SubstrateCeramic 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

7、，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

8、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

9、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 ?图10 LED 界面间隙由于散热器底面与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

10、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

11、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10cm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小强铝基板制作 介绍： HNG 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，

12、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。 小强铝基板制作 (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