用厚膜技術(shù)最佳化大功率LED

根據(jù)美國能源部能源效率和可再生能源辦公室提供的資訊，散熱是成功設(shè)計(jì)LED系統(tǒng)的最重要因素之一。 發(fā)光二極管只能將20%到30%的電能轉(zhuǎn)化為可見光，其余轉(zhuǎn)化為熱量，必須從LED芯片導(dǎo)入電路板和散熱片。多余的熱量會(huì)減少LED的光輸出，縮短其壽命。因此，散熱效率的提升對于最佳化LED的性能潛力非常重要。

用散熱基板替代

目前，用于高功率/高亮度用途的LED基板或模組被銲接到一個(gè)金屬基印刷電路板(MCPCB)、增強(qiáng)散熱型印刷電路板或陶瓷基板上，然后將基板黏接到散熱片上。 雖然這種配置在LED行業(yè)廣泛應(yīng)用，但它不是最佳的散熱方法，而且制造成本可能很高。

MCPCB和增強(qiáng)散熱型印刷電路板具有良好的散熱性能，但設(shè)計(jì)靈活度有限，而且如果需要提高散熱效能，成本可能很高，原因是需要額外花費(fèi)散熱孔加工費(fèi)用和昂貴的導(dǎo)熱絕緣材料費(fèi)用。陶瓷基板可以采用導(dǎo)熱性不強(qiáng)但價(jià)格便宜的陶瓷(如氧化鋁陶瓷)，也可以采用導(dǎo)熱性強(qiáng)但價(jià)格十分昂貴的陶瓷(如氮化鋁陶瓷)?？偠灾?，陶瓷基板的成本高于MCPCB和增強(qiáng)散熱型印刷電路板基板。

為替代上述基板，LED廠商正在測試直接在鋁基板上制作電路的方法，因?yàn)檫@種方法能提供優(yōu)良的導(dǎo)熱性。由于其優(yōu)勢，LED產(chǎn)業(yè)有興趣采用鋁，但在鋁基板上制作LED電路需要絕緣層。現(xiàn)在，厚膜技術(shù)的進(jìn)展使LED產(chǎn)業(yè)能夠獲得使用鋁基板的好處。

厚膜散熱漿料供應(yīng)商賀利氏材料技術(shù)公司研制的鋁基板用材料系統(tǒng)(IAMS)是一種低溫?zé)Y(jié)(低于600℃)的厚膜絕緣系統(tǒng)，可以印刷和燒結(jié)在鋁基板上。IAMS材料系統(tǒng)包含介電漿料、銀導(dǎo)電漿料、玻璃保護(hù)層和電阻漿料。這些材料都適合于3000、4000、5000和6000系列鋁基板。

IAMS的優(yōu)點(diǎn)

賀利氏公司厚膜材料部全球LED專案經(jīng)理近藤充先生說：“IAMS是為鋁基板設(shè)計(jì)的絕緣系統(tǒng)。鋁無法承受超過攝氏660度以上的溫度，標(biāo)準(zhǔn)的厚膜產(chǎn)品基于陶瓷，必須在高溫下燒結(jié)，溫度高達(dá)攝氏800度至900度。

近藤充先生解釋說：“因?yàn)镮AMS漿料可在低于攝氏600度的溫度下燒結(jié)，所以該系統(tǒng)適合于鋁材加工條件。此外，IAMS獨(dú)特的玻璃系統(tǒng)能減少鋁材的變形翹曲，同時(shí)能提供較高的Break down voltage和優(yōu)良的導(dǎo)熱性。”

大多數(shù)厚膜漿料的熱膨脹系數(shù)(CTE)調(diào)整到可用于高溫、低膨脹系數(shù)的陶瓷基板。但是，如果使用的是熱膨脹系數(shù)很高的鋁基板以及為陶瓷設(shè)計(jì)的漿料，基板就會(huì)因熱膨脹系數(shù)的差異而發(fā)生“變形翹曲”。根據(jù)設(shè)計(jì)，IAMS的熱膨脹系數(shù)與鋁的熱膨脹系數(shù)相匹配，可最大限度地減少變形翹曲。

通過采用IAMS，很容易對LED基板的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。近藤充先生說：“通過厚膜技術(shù)，可以將LED電路圖案直接用網(wǎng)版印刷到鋁基板上。網(wǎng)版圖案很容易根據(jù)電路設(shè)計(jì)的變化加以修改，只需修改網(wǎng)版然后重新印刷即可。”在制作原型和設(shè)計(jì)階段，這種靈活性很有幫助。

此外，由于印刷過程中印刷IAMS漿料所用的制程是可選擇印刷區(qū)域的制程，因此成本較低。絕緣漿料僅印刷在導(dǎo)電電路所在的位置。只要設(shè)計(jì)恰當(dāng)，散熱孔很容易直接連接到高導(dǎo)熱性的鋁材上。與蝕刻的MCPCB和增強(qiáng)散熱型印刷電路板相比，這種方法浪費(fèi)的材料極少(前兩種板材是用化學(xué)方法蝕刻銅板而制成電路)。采用IAMS系統(tǒng)時(shí)，導(dǎo)體漿料僅印刷在需要形成電路的位置。

另外，采用IAMS技術(shù)，客戶只需使用一種絕緣漿料。其他厚膜技術(shù)要求為每個(gè)絕緣層使用兩種不同類型的玻璃漿料。此外，所有IAMS漿料均符合RoHS規(guī)定。

成熟的技術(shù)

對LED性能至關(guān)重要的是有效的散熱;使LED保持較低的溫度有助于增加亮度和延長壽命。為了證明IAMS可提供LED制造商要求的散熱特性，賀利氏公司邀請第三方進(jìn)行了測試。賀利氏公司請芬蘭Oulu的VTT技術(shù)研究中心對MCPCB和IAMS進(jìn)行了比較研究。

VTT的研究員Aila Sitomaniemi說：“我們比較了使用MCPCB和IAMS的LED基板的熱特性。我們測試了10個(gè)基板，每個(gè)電路板上都銲接高功率LED。每塊電路板被放進(jìn)恒溫室，將電路板底部的接觸溫度保持在攝氏25度，以確保每個(gè)電路板受到高效和相同的冷卻。”

Sitomaniemi指出：“測試結(jié)果表明，用IAMS漿料銲接的LED，操作溫度低于銲接在MCPCB上的LED。采用350毫安導(dǎo)通電流時(shí)，接合處的平均溫度低多達(dá)三度，采用700毫安時(shí)低多達(dá)六度。”

VTT的研究員Eveliina Juntunen說，散熱是主導(dǎo)LED器件性能的關(guān)鍵因素。Juntunen說：“使用高功率LED時(shí)，必須由散熱來滿足效率、色彩、可靠性和產(chǎn)品壽命方面日益嚴(yán)格的要求。”

Juntunen指出：“測量結(jié)果顯示，IAMS降低了LED的接合溫度。采用IAMS時(shí)，測得LED有效接合處與電路板底部的熱阻值比采用MCPCB低多達(dá)20%”。Juntunen說，她認(rèn)為這些結(jié)果很有意義，在以最佳方式應(yīng)用LED方面具有明顯的優(yōu)勢。

散熱片印刷

IAMS技術(shù)未來有可能直接將電路印刷在散熱片上。目前，在大多數(shù)LED組裝業(yè)務(wù)中，均購買封裝后的LED，然后用低溫黏著劑將LED和散熱片黏接在MCPCB上。每多一層就會(huì)增加一層熱阻值，最終會(huì)有損于亮度和壽命。

近藤充先生說“IAMS技術(shù)使客戶能夠直接將絕緣層印刷在散熱片上，解決了額外的散熱基板(MCPCB、增強(qiáng)散熱型電路板、陶瓷等)增高熱阻值的問題。LED器件可以直接連接到散熱片，提供了最好的散熱方法。”

降低發(fā)熱量，延長使用壽命

賀利氏公司的鋁基板用材料系統(tǒng)通過減少LED套件的接合處/層數(shù)量來降低熱阻值。通過采用這種單一配方、多功能的系統(tǒng)，LED制造商能夠以低成本進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，并可進(jìn)行選擇性印刷絕緣層。由于能夠使用成本較低的基板(如鋁板)，因此能夠增強(qiáng)傳導(dǎo)性和延長LED的壽命。

近藤充先生最后說：“使LED套件保持較低的溫度，是實(shí)現(xiàn)最佳LED功能的關(guān)鍵。將LED的溫度降低10度，可將設(shè)備的壽命延長一倍以上，并可降低總成本，這使得LED對消費(fèi)者更具有吸引力。”