常见LED散热基板材料介绍

　　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。

图1 多层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。

　　a）金属基材

　　以美国贝格斯为例，见下表(图3)：

　　b）绝缘层

　　起绝缘层作用，通常是50~200um。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

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 Substrate)

　　Ceramic 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，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&search=1