常见LED散热基板材料详细介绍
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晶体产生的热传导出去。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。接下来介绍了几种常见的LED基板材料,并作了比较。
1、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。其缺点是热性能差,一般用于传统的低功率LED。
2、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。
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,从30℃加热至140~150℃,尺寸变化为2.5~3.0%. MCPCB的结构 目前市场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。
3、陶瓷基板(Ceramic Substrate)
陶瓷基板是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 ~ 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。
4、直接铜结合基板(DBC Substrate)
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。
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。
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