常見LED散熱基板材料詳細(xì)介紹
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)生的熱傳導(dǎo)出去。傳統(tǒng)LED由于LED發(fā)熱量不大,散熱問題不嚴(yán)重,因此只要運(yùn)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。接下來介紹了幾種常見的LED基板材料,并作了比較。
1、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??梢詥螌釉O(shè)計(jì),也可以是多層銅箔設(shè)計(jì)(如圖2)。優(yōu)點(diǎn):技術(shù)成熟,成本低廉,可適用在大尺寸面板。其缺點(diǎn)是熱性能差,一般用于傳統(tǒng)的低功率LED。
2、金屬基印制板(MCPCB)
由于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屬板上,即所謂的Metal Core PCB。金屬基電路板是由金屬基覆銅板(又稱絕緣金屬基板)經(jīng)印刷電路制造工藝制作而成。根據(jù)使用的金屬基材的不同,分為銅基覆銅板、鋁基覆銅板、鐵基覆銅板,一般對于LED散熱大多應(yīng)用鋁基板。
MCPCB的優(yōu)點(diǎn):
(1)散熱性
常規(guī)的印制板基材如FR4是熱的不良導(dǎo)體,層間絕緣,熱量散發(fā)不出去。而金屬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)的金屬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,熱脹冷縮使金屬化孔開裂、斷開 。金屬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(jī)和電子設(shè)備的耐用性和可靠性。
(3)尺寸穩(wěn)定性
金屬基印制板,顯然尺寸要比絕緣材料的印制板穩(wěn)定得多。鋁基印制板、鋁夾芯板,從30℃加熱至140~150℃,尺寸變化為2.5~3.0%. MCPCB的結(jié)構(gòu) 目前市場上采購到的標(biāo)準(zhǔn)型金屬基覆銅板材由三層不同材料所構(gòu)成:銅、 絕緣層、金屬板(銅、鋁、鋼板),而鋁基覆銅板最為常見。
3、陶瓷基板(Ceramic Substrate)
陶瓷基板是以燒結(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 ~ 5ppm/K。價格較貴,尺寸限于4.5平方英寸以下,無法用于大面積面板,適合高溫環(huán)境高功率LED使用。
4、直接銅結(jié)合基板(DBC Substrate)
在金屬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(yùn)作溫度達(dá)800℃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(diǎn)由1083℃降低至1065℃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層緊密接合在一起。
此種含介電層的銅基板具有很好的熱擴(kuò)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,同時適合于高溫環(huán)境及高功率或高電流LED之使用。
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