LED照明燈散熱途徑與陶瓷基板技術(shù)

文章來源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2015-09-08

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 LED半導(dǎo)體照明芯片工作時(shí)發(fā)的光線是不含紫外線和紅外線的，因此它的光線不能帶走熱量，所以工作時(shí)溫度就會(huì)不斷上升。為了降低LED工作溫度，延長(zhǎng)LED燈的壽命就必須要把它發(fā)光時(shí)產(chǎn)生的熱能及時(shí)導(dǎo)出。LED從芯片到整個(gè)散熱器的每一個(gè)環(huán)節(jié)都必須充分考慮散熱。任何一個(gè)環(huán)節(jié)不當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)都會(huì)引起嚴(yán)重的散熱問題。

 

溫度對(duì)LED燈的影響

 

LED的光衰表明了它的壽命，隨著使用的時(shí)間，亮度會(huì)就越來越暗，直到最后熄滅。通常定義衰減30% 的時(shí)間作為其壽命。LED溫度與壽命的關(guān)系圖如圖1 所示，從圖中我們可以看到，LED燈的壽命隨著工作溫度的升高而縮短。

圖2 是結(jié)面溫度與發(fā)光量之間的關(guān)系圖，如果結(jié)溫為25 度時(shí)發(fā)光為率100% 的話，國(guó)際資訊，那么當(dāng)結(jié)溫上升到50 度時(shí)，發(fā)光率下降到95%；100 度時(shí)下降到80%；150 度就只有68%。

 

LED溫度產(chǎn)生原因分析

 

LED發(fā)熱是因?yàn)榧尤氲碾娔苤挥屑s20%-30% 轉(zhuǎn)換成了光能，而一大部分都轉(zhuǎn)化成了熱能。LED結(jié)溫的產(chǎn)生是由于兩個(gè)因素所引起的。

 

（1）PN 區(qū)載流子的復(fù)合率并不是100%，也就是電子和空穴復(fù)合的時(shí)候不全都產(chǎn)生光子，星級(jí)酒店照明燈具，節(jié)能與環(huán)保，泄漏電流及電壓的乘積就是這部分產(chǎn)生的熱能。但現(xiàn)在內(nèi)部光子效率已經(jīng)接近于90%，因此這部分熱能并不是LED結(jié)溫產(chǎn)生的主要因素。

 

（2）導(dǎo)致LED結(jié)溫的是主要因素是內(nèi)部復(fù)合產(chǎn)生的光子不能全部射出到芯片外部而轉(zhuǎn)化的熱能，目前這種外部量子效率只有30%左右，辦公照明，其大部分都轉(zhuǎn)化為熱量了。

 

LED散熱可以通過以下途徑實(shí)現(xiàn)：（1）從空氣中散熱；（2）熱能直接由電路板導(dǎo)出；（3）經(jīng)由金線將熱能導(dǎo)出；（4）若為共晶及Flip chip 制程，熱能將經(jīng)由通孔至系統(tǒng)電路板而導(dǎo)出。

 

以上散熱途徑中，散熱基板材料的選擇與其LED晶粒的封裝方式于LED熱散管理上占了極為重要的一環(huán)。

 

陶瓷散熱基板

 

LED散熱基板有金屬和陶瓷基板這兩種。目前LED產(chǎn)品一般會(huì)采用金屬基板，3c認(rèn)證，因?yàn)榻饘倩�板的材料主要是鋁或銅，成本低，技術(shù)也比較成熟。但是，商業(yè)照明，陶瓷基板的導(dǎo)熱和散熱性能比金屬基板好，行業(yè)資訊，是目前高功率LED散熱最合適的方案。照明對(duì)散熱性及穩(wěn)定性的要求遠(yuǎn)高于電視、電腦等電子產(chǎn)品，照明資質(zhì)，即使陶瓷基板成本比高于金屬基板，包括CREE、歐司朗、飛利浦及日亞化等國(guó)際大廠也都使用陶瓷基板作為L(zhǎng)ED晶粒散熱材質(zhì)。

 

現(xiàn)在市面上通用的大功率LED散熱基板如圖3 所示，其結(jié)構(gòu)一般都為鋁基板：其最下層為厚度約為1.3mm 鋁金屬層；鋁層之上為厚約0.1mm 高分子絕緣層；最上層為焊接電路以及銅線路。，由于絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)極低，即使鋁的導(dǎo)熱系數(shù)比較高，絕緣層也會(huì)成為該結(jié)構(gòu)基板的散熱瓶頸，影響整個(gè)基板的散熱效果；其次絕緣層的存在，導(dǎo)致其無法承受高溫焊接，限制了封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，影響了封裝工藝的實(shí)施，不利于LED的散熱。

陶瓷基板是指在高溫下把銅箔直接鍵合到氮化鋁(ALN) 或氧化鋁(AL2O3) 陶瓷基片表面( 單面或雙面) 上的特殊工藝板。通過這種工藝制作的超薄復(fù)合基板具有非常優(yōu)良的電氣絕緣性能，較高的導(dǎo)熱特性，高的附著強(qiáng)度以及優(yōu)異的軟釬焊性，并且它可以刻蝕出各種各樣的圖形，具有非常大的載流能力。現(xiàn)在，陶瓷基板已成為互連技術(shù)和大功率電力電子電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)材料，逐步取代鋁基板。

 

表1 是陶瓷散熱基板與金屬散熱對(duì)比表，節(jié)能與環(huán)保，由于具有新的導(dǎo)熱材料和新的內(nèi)部結(jié)構(gòu)陶瓷散熱基板，消除了鋁金屬基板所具有的各種缺陷，從而大大地改善基板的整體散熱效果。

以線路備制方法不同，陶瓷基板主要分為低溫共燒多層陶瓷、厚膜陶瓷基板、以及薄膜陶瓷基板三種，在傳統(tǒng)高功率LED元件，多以厚膜或低溫共燒陶瓷基板作為晶粒散熱基板為主，將金線與LED晶粒與陶瓷基板結(jié)合。

 

厚膜陶瓷基板采用網(wǎng)印技術(shù)生產(chǎn)，先借用刮刀將材料印制于基板上，然后經(jīng)過燒結(jié)、干燥、雷射等步驟而成，目前大陸厚膜陶瓷基板主要制造商為大豪、九龍等公司。一般而言， led服裝照明，用網(wǎng)印方式生產(chǎn)制作的線路由于網(wǎng)版張網(wǎng)等問題，比較容易產(chǎn)生對(duì)位不精準(zhǔn)、線路粗糙等現(xiàn)象。此外，由于多層陶瓷所采用疊壓燒結(jié)工藝，會(huì)帶來收縮比例的問題，這就限制了其工藝的解析度。

 

低溫共燒多層陶瓷技術(shù)，以陶瓷作為基板材料，須先將約30% ～ 50% 的玻璃材料與無機(jī)的氧化鋁粉加上有機(jī)黏結(jié)劑均勻混合成為泥狀的漿料，然后把漿料用刮刀刮成片狀，再經(jīng)由干燥工藝將片狀漿料生成薄薄的生胚，然后按各層設(shè)計(jì)要求鉆導(dǎo)通孔，以此作為各層訊號(hào)的傳遞， LTCC 內(nèi)部線路則采用網(wǎng)版印刷技術(shù)，恒光電器,照亮您的生活，在生胚上分別做填孔及印制線路，內(nèi)外電極可由銀、銅、金等金屬組成，最后將各層做疊層動(dòng)作，放置于850 ～ 900℃的燒結(jié)爐中燒結(jié)成型。

 

由于厚膜制作過程中出現(xiàn)的張網(wǎng)問題，以及多層疊壓燒結(jié)后出現(xiàn)收縮比例問題，近年來發(fā)展出以薄膜陶瓷基板作為L(zhǎng)ED晶粒的散熱基板。薄膜散熱基板采用電/ 電化學(xué)沉積、濺鍍、以及黃光微影制程制作而成。

 

結(jié)論

 

隨著陶瓷基板產(chǎn)品的問世，散熱應(yīng)用行業(yè)開啟了新的篇章。由于陶瓷基板優(yōu)良的散熱特色，LED-T5一體化燈管，隨著生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備的改良，辦公照明，產(chǎn)品的性價(jià)比大大的提高，進(jìn)而擴(kuò)大LED產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域。陶瓷基板的開發(fā)成功，更將成為戶外亮化和室內(nèi)照明產(chǎn)品提供服務(wù)，星級(jí)酒店照明燈具，使LED產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展域更寬廣。

 

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