长久以来,在对LED散热要求不是很高的情况下,LED多利用传统树脂基板进行封装。然而,随着市场应用领域不断扩大,需求层次不断提高,传统的树脂基板在高功率LED世代到来后,已渐渐不敷使用。因此,探讨和展望高功率LED的封装材料,便成为业界关注的热点话题。
  1、LED散热的原理
  研究表明,高功率LED只能将20%的电能转化成光能,其余都会以热能的形式散失。如果高达80%的热能无法及时散失,那么LED的寿命将会因此大打折扣。LED的热能究竟是如何散失的呢?
  LED散热能力通常受到封装模式以及封装材质的导热性影响,散热途径也不外传导、对流、辐射这三种。由于LED封装材料中积聚的热能大部分是以传导方式散失,因此封装材质的选取就变得尤为重要了。
  2、传统材质已无法满足高功率LED散热需求
  随着市场上越来越多的高功率LED应用出现,在考虑如何散失热能的同时,还要兼顾LED发光的稳定性与持续性。如果LED的热能无法尽快散失,那么其亮度和寿命都将下降得很快。所以,对于高功率LED而言,传统的环氧树脂受其特性所限,已不符合其对散热的需求。
  在LED低功率或一般功率的使用条件下,环氧树脂热传导率较低和耐热性较差的缺点还没被完全凸现。但如果再用环氧树脂作为封装高功率LED的材质,则很可能出现LED芯片本身寿命还未达到之前,环氧树脂就已经无以为继的情况。
  此外,不仅散热现象会使环氧树脂产生变化,甚至连短波长也会对环氧树脂造成困扰。这是因为在白光LED发光光谱中也包含短波长光线,而环氧树脂很容易受到白光LED中的短波长光线破坏。即使是低功率的白光LED,已能使环氧树脂破坏情况加剧,更何况高功率的白光LED所发出的短波长光线更多,恶化现象自然更加快速和严重。因此,找到全新材质来替代环氧树脂封装高功率LED已经迫在眉睫。
  3、LED散热基板类型
  目前,常见的LED散热基板类型包括:硬式印刷pcbsmart.com' target='_blank'>电路板、高热导系数铝基板、陶瓷基板、软式印刷电路板、金属复合材料,等等。
  硬式印刷电路板(printed circuit board;pcb)多用于各项电子基板,LED控制器但却无法承受高功率LED所散失出的热能,因此应用局限于低功率和一般功率的LED,不具备向高功率LED延伸应用的可能。
  高热导系数铝基板(metalcorepcb;mcpcb)是将pcb下方基材改为铝合金,一般来说,虽然纯铝的散热系数较铝合金高,但由于纯铝的硬度不高造成使用上的出现困难,因此只会以铝合金来当制作基板的材质。
  陶瓷基板目前有三种,即al2o3(氧化铝)、ltcc(低温共烧陶瓷)、aln(氮化铝)。单就技术水准而言,无疑以氮化铝最高,低温共烧陶瓷次之。由低温共烧陶瓷制作的LED基板,虽然有散热性更好,且耐高温、耐潮湿等优点,但由于其价格高出传统基板数倍,所以直至今日仍不是制作散热型基板的理想材质。当然,如果不考虑价格因素,那么陶瓷基板还是当之无愧的首选。
  软式印刷电路板(fpc)具有重量轻、厚度薄、可挠、运用空间灵活等优点,热导系数也优于传统pcb基板和mcpcb基板,且应用面积大于陶瓷基板。但是,该技术目前仍处实验阶段,良率偏低,所以尚无法大规模投产。
  铝基板
  4、金属基板成为高功率LED首选
  通过上述比较,由于金属基板相对而言性价比最高,因此它也成为LED高功率条件下的首选方案。而且,随着LED芯片大型化、大电流化、高功率化发展,金属封装基板取代传统树脂封装基板的脚步也会越来越快。
  就目前高散热金属基板的材质而言,可分成硬质与可挠两种。LED控制器结构上,硬质基板属于传统金属材质,采用铝、铜等金属,绝缘层部分则大多填充高热导性的无机物。这种金属基板拥有高热导性、高耐热性,以及电磁屏蔽等优点,其厚度通常大于1毫米,因此广泛应用于LED灯具模块和照明模块当中,大大有助于高功率 LED在路灯方面的推广和普及。
  5、可挠基板大有可为
  一般而言,金属封装基板热导效率大约为2w/m•k.但由于高效率LED的散热要求更高,所以为了满足4~6w/m•k的热导效率,目前已经出现热导效率超过8w/m•k的金属封装基板。由于硬质金属封装基板主要是为满足高功率LED封装,因此各封装基板厂商正在积极开发可以提高热导效率的技术。
  不过,金属封装基板同样具有金属热膨胀系数很大的缺点,LED控制器当与低热膨胀系数的陶瓷芯片进行焊接时,容易受到热循环冲击,所以当使用氮化铝进行封装时,金属封装基板就可能发生不协调现象,因此必需克服LED中各种不同热膨胀系数材料之间的热应力差异,提高封装基板的可靠性。
  可挠基板的出现,恰恰解决了上述难题。高热传导可挠基板,是在绝缘层上黏贴金属箔,虽然基本结构与传统可挠基板完全相同,但在绝缘层方面,LED控制器却是采用软质环氧树脂充填高热传导性无机物,因此具有8w/m?k的高热传导性,同时还兼具柔软可挠与高可靠性的优点。此外,可挠基板还可依照客户需求,将单面单层板设计成单面双层、双面双层板。根据实验结果显示,使用高热传导可挠基板可使LED的温度大约降低100摄氏度,这可大为提高LED的使用寿命