一灯网[LEDcax[1].Com]Led 散热处理方案

LedLedLedLed散热处理方案谈到LED，我想很多的朋友就想到了LED散热，尤其是大功率的LED。若热处理没有做好的话，LED的亮度和寿命会下降很快，对于LED来说，如何做到有效的可靠度和热传导，是非常重要。所以我们在设计LED产品的时候一定要考虑到散热的处理。LED散热处理的方案很多，主要是从结构和性能两大方面改进，我们这里对常用的LED散热处理方案总结如下七点：一：小功率的环氧树脂散热法：传统的小功率LED散热处理方案就是在封装的时候加上小量的环氧树脂，此种方式比较简单，我们在这里不再详细的研究。主要在封装的时候选择好环氧树脂就行。二：可挠曲金属基板（铝基板）环氧树脂耐热性比较差，可能会出现的情况是，在LED芯片本身的寿命未到达前，环氧树脂就已呈现变色情况，因此，提高散热性已是重要关键。除此之外，不仅因为热现象会对环氧树脂产生变化，甚至短波长也会对环氧树脂造成问题，这是因为白光LED发光光谱中，也包含短波长光线，而环氧树脂却相当容易受白光LED中的短波长光线破坏，即使是低功率白光LED，已能使环氧树脂破坏现象加剧，更何况高功率白光LED所发出的短波长光线更多，恶化自然比低功率款式更加快速，甚至有些产品在连续点亮后的使用寿命仅5,000小时，甚至更短！所以，与其不断克服因旧有封装材料“环氧树脂”带来的变色困扰，不如朝寻求新1代的封装材料努力。因此最近几年逐渐改用高热传导陶瓷，或是金属树脂封装结构，就是为了解决散热、与强化原有特性做的努力。LED芯片高功率化常用方式是：芯片大型化、改善发光效率、采用高取光效率的封装、及大电流化。这类做法虽然电流发光量会呈比例增加，不过发热量也会随之上升。对高功率LED封装技术上而言，由于散热的问题造成了一定程度的困扰，在此背景下具有高成本效益的金属基板技术，就成了LED高效率化之后另1个备受关心的新发展过去由于LED输出功率较小，因此使用传统FR4等玻璃环氧树脂封装基板，并不会造成太大的散热问题，但应用于照明用的高功率LED，其发光效率约为20%~30%左右，虽芯片面积相当小，整体消费电力也不高，不过单位面积的发热量却很大。一般来说，树脂基板的散热，只能够支持0.5W以下的LED，超过0.5W以上的LED，多改用金属高散热基板进行封装，主要原因是，基板的散热性直接影响LED寿命与性能，因此封装基板成为设计高辉度LED商品的开发重点。关于LED封装基板散热设计，目前大致可以分成，LED芯片至封装体的热传导、及封装体至外部的热传达两大部分。使用高热传导材时，封装内部的温差会变小，此时热流不会呈局部性集中，LED芯片整体产生的热流，呈放射状流至封装内部各角落，所以利用高热传导材料，可提高内部的热扩散性。就热传导的改善来说，几乎是完全仰赖材料提升来解决问题。多数人均认为，随LED芯片大型化、大电流化、高功率化发展，会加速金属封装取代传统树脂封装方式。就目前金属高散热基板材料而言，可分成硬质与可挠曲两种基板，结构上，硬质基板属于传统金属材料，金属LED封装基板采铝与铜等材料，绝缘层部分，大多采充填高热传导性无机填充物，拥有高热传导性、加工性、电磁波遮蔽性、耐热冲击性等金属特性，厚度方面通常大于1mm，大多都广泛应用在LED灯具模块，与照明模块等，技术上是与铝质基板具相同高热传导能力，在高散热要求下，相当有能力担任高功率LED封装材料。可挠曲基板的出现，原期望应用在汽车导航的LCD背光模块薄形化需求而开发，以及高功率LED可以完成立体封装要求下产生，基本上可挠曲基板以铝为材料，是利应用铝的高热传导性与轻量化特性，制成高密度封装基板，透过铝质基板薄板化后，达可挠曲特性，并且也能够具高热传导特性。一般而言，金属封装基板热传导率大约是2W/m?K，但由于高效率LED的热效应更高，所以为了满足达到4~6W/m?K热传导率的需要，目前已有热传导率超过8W/m?K的金属封装基板。由于硬质金属封装基板主要目的是，能够满足高功率LED的封装，因此各封装基板业者正积极开发可以提高热传导率的技术。虽然利用铝板质补强板可以提高散热性，不过却有成本与组装的限制，无法根本解决问题。不过，金属封装基板的缺点是，金属热膨胀系数很大，当与低热膨胀系数陶瓷芯片焊接时，容易受热循环冲击，所以当使用氮化铝封装时，金属封装基板可能会发生不协调象，因此必需克服LED中，各种不同热膨胀系数材料，所造成的热应力差异，提高封装基板的可靠性。高热传导挠曲基板，是在绝缘层粘贴金属箔，虽然基本结构与传统挠曲基板完全相同，不过在绝缘层方面，是采用软质环氧树脂充填高热传导性无机填充物，因此具有8W/mK的高热传导性，同时还兼具柔软可挠曲、高热传导特性与高可靠性，此外可挠曲基板还可以依照客户需求，可将单面单层板设计成单面双层、双面双层结构。根据实验结果显示，使用高热传导挠曲基板时，LED的温度大约降低摄氏100度，这代表着温度造成LED使用寿命降低的问题，将可因变更基板设计而大幅改善。我们再对铝基板再进行一些详细的介绍：铝基覆铜板是一种金属线路板材料、由铜箔、导热绝缘层及金属基板组成，它的结构分三层：Cireuitl.Layer线路层：相当于普通PCB的覆铜板，线路铜箔厚度loz至10oz。DielcctricLayer绝缘层：绝缘层是一层低热阻导热绝缘材料。BaseLayer基层：是金属基板，一般是铝或可所选择铜。铝基覆铜板和传统的环氧玻璃布层压板等。电路层（即铜箔）通常经过蚀刻形成印刷电路，使元件的各个部件相互连接，一般情况下，电路层要求具有很大的载流能力，从而应使用较厚的铜箔，厚度一般35μm~280μm；导热绝缘层是铝基板核心技术之所在，它一般是由特种陶瓷填充的特殊的聚合物构成，热阻小，粘弹性能优良，具有抗热老化的能力，能够承受机械及热应力。高性能铝基板的导热绝缘层正是使用了此种技术，使其具有极为优良的导热性能和高强度的电气绝缘性能；金属基层是铝基板的支撑构件，要求具有高导热性，一般是铝板，也可使用铜板（其中铜板能够提供更好的导热性），适合于钻孔、冲剪切割等常规机械加工。PCB材料相比有着其他材料不可比拟的优点。适合功率元件表面贴SMT公艺。无需散热器，体积大大缩小、散热效果极好，良好的绝缘性能和机械性能。三：陶瓷基板陶瓷基片具有优良的热传导性，可靠的电绝缘性，低的介电常数和介电损耗是新一代大规模集成电路、半导体模块电路及大功率器件的理想散热和封装材料；是提高高分子材料热导率和力学性能的陶瓷材料。陶瓷基板目前有3大类Al2O3(氧化铝)、LTCC(低温共烧陶瓷)、AlN(氮化铝)，技术门槛性而言，但AlN最高、LTCC次之。由陶瓷烧结而成得LED基板，有散热性佳、耐高温、耐潮湿等优点。但是价格高出传统基板数倍，所以至今仍不是散热型基板主要组件，但若不考虑价格因素，陶瓷基板是为最佳首选首先让我们来了解一下陶瓷基板的特点：1.高热传导低热阻2..热膨胀系数匹配(TCE:6.2)3..抗UV4..抗腐蚀和黄化5.符合Rohs规定6..高气密性7.耐高温.四：导热硅脂导热硅脂是用来填充LED与散热片之间的空隙的膏状物质，其作用是用来向散热片传导LED散发出来的热量，使LED温度保持在一个可以稳定工作的水平，防止LED烧毁，延长使用寿命。五：大功率散处理方案的计算与实例我们在这里主要研究一下大功率LED的可挠曲金属基板（铝基板）的设计：大功率LED是个大电流的光电器件，其工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。在大功率LED中，散热是个大问题。例如，1个10W白光LED若其光电转换效率为20%，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是150℃），大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。另外，一般功率器件（如电源IC）的散热计算中，只要结温小于最大允许结温温度（一般是125℃）就可以了。但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ对LED的出光率及寿命有较大影响TJ越高会使LED的出光率越低，寿命越短。图1是K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系曲线。在TJ=25℃时，相对出光率为1；TJ=70℃时相对出光率降为0.9；TJ=115℃时，则降到0.8了。表2是Edison公司给出的大功率白光LED的结温TJ在亮度衰减70%时与寿命的关系（不同LED生产厂家的寿命并不相同，仅做参考）。图3NCCWO22的内部结构在表2中可看出：TJ=50℃时，寿命为90000小时；TJ=80℃时，寿命降到34000小时；TJ=115℃时，其寿命只有13300小时了。TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax,实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJm图4LED与PCB焊接图大功率LED的散热路径.大功率LED在结构设计上是十分重视散热的。图2是Lumiled公司K2系列的内部结构、图3是NICHIA公司NCCW022的内部结构。从这两图可以看出：在管芯下面有一个尺寸较大的金属散热垫，它能使管芯的热量通过散热垫传到外面去。大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，如图4所示。散热垫的底面与PCB的敷铜面焊在一起，以较大的敷铜层作散热面。为提高散热效率，采用双层敷铜层的PCB，其正反面图形如图5所示。这是一种最简单的散热结构。热是从温度高处向温度低处散热。大功率LED主要的散热路径是：管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环境空气。若LED的结温为TJ，环空气的温度为TA,散热垫底部的温度为Tc（TJ＞Tc＞TA），散热路径如图6所示。图6在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC（LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为：各热阻的单位是℃/W。可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。如果LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起，则RCB=0，则上式可写成：RJA=RJC+RBA散热的计算公式若结温为TJ、环境温度为TA、LED的功耗为PD,则RJA与TJ、TA及PD的关系为：RJA=（TJ－TA）/PD(1)式中PD的单位是W。PD与LED的正向压降VF及LED的正向电流IF的关系为：PD=VF×IF(2)如果已测出LED散热垫的温度TC，则(1)式可写成：RJA=(TJ－TC)/PD+(TC－TA)/PD则RJC=(TJ－TC)/PD(3)RBA=(TC－TC)/PD(4)在散热计算中，当选择了大功率LED后，从数据资料中可找到其RJC值；当确定LED的正向电流IF后，根据LED的VF可计算出PD；若已测出TC的温度，则按（3）式可求出TJ来。在测TC前，先要做一个实验板（选择某种PCB、确定一定的面积）、焊上LED、输入IF电流，等稳定后，用K型热电偶点温度计测LED的散热垫温度TC。在（4）式中，TC及TA可以测出，PD可以求出，则RBA值可以计算出来。若计算出TJ来，代入（1）式可求出RJA。这种通过试验、计算出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积。如果计算出来的TJ小于要求（或等于）TJmax，则可认为选择的PCB及面积合适；若计算来的TJ大于要求的TJmax，则要更换散热性能更好的PCB，或者增加PCB的散热面积。另外，若选择的LED的RJC值太大，在设计上也可以更换性能上更好并且RJC值更小的大功率LED，使满足计算出来的TJ≤TJmax。这一点在计算举例中说明。各种不同的PCB目前应用与大功率LED作散热的PCB有三种：普通双面敷铜板（FR4）、铝合金基敷铜板（MCPCB）、柔性薄膜PCB用胶粘在铝合金板上的PCB。MCPCB的结构如图7所示。各层的厚度尺寸如表3所示。图7MCPCB结构图其散热效果与铜层及金属层厚如度尺