探討與展望：高功率led封裝的散熱技術(shù)

【導(dǎo)讀】長久以來，在對$led散熱$要求不是很高的情況下，led多利用傳統(tǒng)樹脂基板進(jìn)行封裝。然而，隨著市場應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，需求層次不斷提高，傳統(tǒng)的樹脂基板在高功率led世代到來后，已漸漸不敷使用。因此，探討和展望高功率led的封裝材料，便成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)話題。

 長久以來，在對led散熱要求不是很高的情況下，led多利用傳統(tǒng)樹脂基板進(jìn)行封裝。然而，隨著市場應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，需求層次不斷提高，傳統(tǒng)的樹脂基板在高功率led世代到來后，已漸漸不敷使用。因此，探討和展望高功率led的封裝材料，便成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)話題。

 led散熱的原理
 研究表明，高功率led只能將20%的電能轉(zhuǎn)化成光能，其余都會以熱能的形式散失。如果高達(dá)80%的熱能無法及時(shí)散失，那么led的壽命將會因此大打折扣。led的熱能究竟是如何散失的呢？

 led散熱能力通常受到封裝模式以及封裝材質(zhì)的導(dǎo)熱性影響，散熱途徑也不外傳導(dǎo)、對流、輻射這三種。由于led封裝材料中積聚的熱能大部分是以傳導(dǎo)方式散失，因此封裝材質(zhì)的選取就變得尤為重要了。

 傳統(tǒng)材質(zhì)已無法滿足高功率led散熱需求

 隨著市場上越來越多的高功率led應(yīng)用出現(xiàn)，在考慮如何散失熱能的同時(shí)，還要兼顧led發(fā)光的穩(wěn)定性與持續(xù)性。如果led的熱能無法盡快散失，那么其亮度和壽命都將下降得很快。所以，對于高功率led而言，傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂受其特性所限，已不符合其對散熱的需求。

 在led低功率或一般功率的使用條件下，環(huán)氧樹脂熱傳導(dǎo)率較低和耐熱性較差的缺點(diǎn)還沒被完全凸現(xiàn)。但如果再用環(huán)氧樹脂作為封裝高功率led的材質(zhì)，則很可能出現(xiàn)led芯片本身壽命還未達(dá)到之前，環(huán)氧樹脂就已經(jīng)無以為繼的情況。
 此外，不僅散熱現(xiàn)象會使環(huán)氧樹脂產(chǎn)生變化，甚至連短波長也會對環(huán)氧樹脂造成困擾。這是因?yàn)樵诎坠鈒ed發(fā)光光譜中也包含短波長光線，而環(huán)氧樹脂很容易受到白光led中的短波長光線破壞。即使是低功率的白光led，已能使環(huán)氧樹脂破壞情況加劇，更何況高功率的白光led所發(fā)出的短波長光線更多，惡化現(xiàn)象自然更加快速和嚴(yán)重。因此，找到全新材質(zhì)來替代環(huán)氧樹脂封裝高功率led已經(jīng)迫在眉睫。

 led散熱基板類型

 目前，常見的led散熱基板類型包括：硬式印刷電路板、高熱導(dǎo)系數(shù)鋁基板、陶瓷基板、軟式印刷電路板、金屬復(fù)合材料，等等。

 硬式印刷電路板（printedcircuitboard;pcb）多用于各項(xiàng)電子基板，LED控制器但卻無法承受高功率led所散失出的熱能，因此應(yīng)用局限于低功率和一般功率的led，不具備向高功率led延伸應(yīng)用的可能。

 高熱導(dǎo)系數(shù)鋁基板（metalcorepcb;mcpcb）是將pcb下方基材改為鋁合金，一般來說，雖然純鋁的散熱系數(shù)較鋁合金高，但由于純鋁的硬度不高造成使用上的出現(xiàn)困難，因此只會以鋁合金來當(dāng)制作基板的材質(zhì)。

 陶瓷基板目前有三種，即al2o3（氧化鋁）、ltcc（低溫共燒陶瓷）、aln（氮化鋁）。單就技術(shù)水準(zhǔn)而言，無疑以氮化鋁最高，低溫共燒陶瓷次之。由低溫共燒陶瓷制作的led基板，雖然有散熱性更好，且耐高溫、耐潮濕等優(yōu)點(diǎn)，但由于其價(jià)格高出傳統(tǒng)基板數(shù)倍，所以直至今日仍不是制作散熱型基板的理想材質(zhì)。當(dāng)然，如果不考慮價(jià)格因素，那么陶瓷基板還是當(dāng)之無愧的首選。

 軟式印刷電路板（fpc）具有重量輕、厚度薄、可撓、運(yùn)用空間靈活等優(yōu)點(diǎn)，熱導(dǎo)系數(shù)也優(yōu)于傳統(tǒng)pcb基板和mcpcb基板，且應(yīng)用面積大于陶瓷基板。但是，該技術(shù)目前仍處實(shí)驗(yàn)階段，良率偏低，所以尚無法大規(guī)模投產(chǎn)。

 金屬基板成為高功率led首選

 通過上述比較，由于金屬基板相對而言性價(jià)比最高，因此它也成為led高功率條件下的首選方案。而且，隨著led芯片大型化、大電流化、高功率化發(fā)展，金屬封裝基板取代傳統(tǒng)樹脂封裝基板的腳步也會越來越快。

 就目前高散熱金屬基板的材質(zhì)而言，可分成硬質(zhì)與可撓兩種。LED控制器結(jié)構(gòu)上，硬質(zhì)基板屬于傳統(tǒng)金屬材質(zhì)，采用鋁、銅等金屬，絕緣層部分則大多填充高熱導(dǎo)性的無機(jī)物。這種金屬基板擁有高熱導(dǎo)性、高耐熱性，以及電磁屏蔽等優(yōu)點(diǎn)，其厚度通常大于1毫米，因此廣泛應(yīng)用于led燈具模塊和照明模塊當(dāng)中，大大有助于高功率 led在路燈方面的推廣和普及。

 可撓基板大有可為

 一般而言，金屬封裝基板熱導(dǎo)效率大約為2w/m•k.但由于高效率led的散熱要求更高，所以為了滿足4~6w/m•k的熱導(dǎo)效率，目前已經(jīng)出現(xiàn)熱導(dǎo)效率超過8w/m•k的金屬封裝基板。由于硬質(zhì)金屬封裝基板主要是為滿足高功率led封裝，因此各封裝基板廠商正在積極開發(fā)可以提高熱導(dǎo)效率的技術(shù)。

 不過，金屬封裝基板同樣具有金屬熱膨脹系數(shù)很大的缺點(diǎn)，LED控制器當(dāng)與低熱膨脹系數(shù)的陶瓷芯片進(jìn)行焊接時(shí)，容易受到熱循環(huán)沖擊，所以當(dāng)使用氮化鋁進(jìn)行封裝時(shí)，金屬封裝基板就可能發(fā)生不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，因此必需克服led中各種不同熱膨脹系數(shù)材料之間的熱應(yīng)力差異，提高封裝基板的可靠性。

 可撓基板的出現(xiàn)，恰恰解決了上述難題。高熱傳導(dǎo)可撓基板，是在絕緣層上黏貼金屬箔，雖然基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)可撓基板完全相同，但在絕緣層方面，LED控制器卻是采用軟質(zhì)環(huán)氧樹脂充填高熱傳導(dǎo)性無機(jī)物，因此具有8w/m?k的高熱傳導(dǎo)性，同時(shí)還兼具柔軟可撓與高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。此外，可撓基板還可依照客戶需求，將單面單層板設(shè)計(jì)成單面雙層、雙面雙層板。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用高熱傳導(dǎo)可撓基板可使led的溫度大約降低100攝氏度，這可大為提高led的使用壽命。