LED散熱：Board level 散熱技術(shù)

    最近TV、LCD、Cell-Phone、PC (Notebook)等便攜用以及生活用家電等電子產(chǎn)品的高性能化、小型化、集成化、Module化等進展急速。高性能化需在電子產(chǎn)品中內(nèi)置能耗多的LED，而相反小型化與集成化給實現(xiàn)產(chǎn)品化帶來了尺寸方面的制約。

    市場傾向于要求提高功率，因此對可容納的LED封裝的設(shè)計Maigin急劇減少。同時 Module化的熱問題已經(jīng)不再單純是LED產(chǎn)品一個的問題，而是整體System的問題。

    將LED封裝內(nèi)部Chip發(fā)生的熱量進行有效管理，已不是產(chǎn)品電學(xué)/光學(xué)特性問題，而是成為了影響產(chǎn)品的壽命、信賴性、制造成本等的要素。尤其拿LED應(yīng)用產(chǎn)品來說，擁有隨著使用溫度、drive current所帶來的功率對熱與光的消耗比例不同的特性。

    因此如果不能很好的控制功率所發(fā)生的熱，就會使同樣規(guī)格的產(chǎn)品產(chǎn)生不同的光效率，直接引發(fā)產(chǎn)品的競爭力問題。功耗高的同時具有良好散熱結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品是市場所需的最具競爭力的LED應(yīng)用產(chǎn)品。

    本專欄中將對各組成要素散熱技術(shù)中的Board level散熱技術(shù)進行解析。

    Metal PCB 的概念與組成

    目前電路上主要使用的印刷電路板 (Printed Circuit Board)是用玻璃纖維與環(huán)氧的復(fù)合材料制成的具有絕緣層的FR-4板。

    FR-4板熱傳導(dǎo)度約為0.3 W/m-K左右非常低，而產(chǎn)生較多熱量的高輸出電路使用著熱傳導(dǎo)良好、擁有絕緣層以及金屬Base的Metal PCB板。LED領(lǐng)域照明的輸出越高，Metal PCB板的使用就越普及。Metal PCB板又稱MCPCB(Metal-Core Printed Circuit Board)、MPCB等。

    Schematics of Metal PCB

    以下圖片是除LED以外主要使用Metal PCB的應(yīng)用領(lǐng)域。主要用于功率變換裝置、發(fā)動機等的電路板。

    Various Applications of Metal PCB (Source: Bergquist)

    LED的發(fā)熱量與現(xiàn)有其他電半導(dǎo)體相比雖然低，但由于使用對熱量相對弱的光學(xué)材料，因此為了降低LED Junction Temperature須使用Metal PCB等高散熱印刷電路板。

Cross-Section of Typical Metal PCB

    下列圖片是2 W/m-K級擁有熱傳導(dǎo)度絕緣層的Metal PCB剖面圖。

    Cross-Section of Typical Metal PCB

    Metal PCB的絕緣層是為克服現(xiàn)有做環(huán)氧時基礎(chǔ)絕緣層熱傳導(dǎo)度低的問題，主要使用擁有高熱傳導(dǎo)度的高分子矩陣 (Matrix)絕緣物質(zhì)陶瓷粉末作為Filler制造成的復(fù)合材料。

    陶瓷粉末中目前氧化鋁 (Al2O3)粉末使用最多，雖然特性稍差但價格非常低廉。

    氧化鋁用作Filler的情況來說，目前最常見的一般Metal PCB約采用1~2 W/m-K左右熱傳導(dǎo)的絕緣層。厚度約為75um的最普遍，而需要相對高的內(nèi)電壓特性時增加厚度的情況也存在。

    金屬Pattern層是將Cu foil進行Lamination制造而成，因此一般擁有1~2 Oz水平的厚度，而 Soldering時為提高Wetting特性，有時也制成鍍金層。

    同時, 為防止Solder擴散而形成了PSR(Photo Solder Resist)。此時使用的PSR是在LED上為提高光輸出，替代使用目前用于電路板上的綠色，使用發(fā)射度良好的白色系列PSR。

    下列圖表是對目前常用的Metal PCB的各種特性按企業(yè)別進行了比較。

    Typical data of Metal PCB (Source: CoreSEM)

FR-4 PCBs for LED

    Metal PCB特性與目前FR-4 PCB相比具有優(yōu)秀的散熱特性，但由于價格負擔(dān)大，因此不需要高散熱時，提高FR-4 PCB的散熱特性使用Board的情況較多。

    同時，主要形成Thermal Via之后，從基板的下方放出熱量或者利用Copper的高散熱特性，制成快速散熱的形態(tài)。

    Thermal Via來說分為，先形成Via然后重新用Metal進行填充的Filled Via形態(tài)與僅在Via墻壁上鍍金形成Metal層的Through Hole type。

    Flexible高散熱 PCB

    一般的Metal PCB是單一金屬pattern層的單層PCB且為不可彎曲的Rigid PCB。 因此在彎曲面貼付形成LED電路時，須用Flexible基板替代使用Rigid基板。

    Flexible PCB主要采用了Polyimid板的基板，而低熱傳導(dǎo)仍是其問題所在。因此為擁有既是熱傳導(dǎo)度高的絕緣層，又是高彈性(Flexibility)的LED，需要高散熱基板。

    以下圖片是Metal PCB板與Flexible PCB板的剖面結(jié)構(gòu)圖。

    為具有彈性替代使用Al Base， 將Cu foil貼付在兩側(cè)，讓其同時起到Base與Pattern層的作用，這樣絕緣層的熱傳導(dǎo)度非常高，因此提高陶瓷粉末含量，就會引起彈性降低或者Crack等粘著力降低等諸多問題，而目前Filler含量低，因此只生產(chǎn)與Rigid Metal PCB相比熱傳導(dǎo)度低的產(chǎn)品。

    Structure of Flexible Metal PCB (Source: Denka)

高散熱 Metal PCB的開發(fā)方向

    目前多方向開發(fā)著與現(xiàn)有Metal PCB相比熱傳導(dǎo)度更加優(yōu)秀的高散熱Metal PCB。

    為提高Metal PCB的散熱特性可以兩種方式接近。一種是增加Metal Base的熱傳導(dǎo)度，另一種是增加絕緣層的熱傳導(dǎo)度。

    下列圖片是通過熱解析結(jié)果，說明了提高Metal PCB的Metal Base熱傳導(dǎo)度時Junction溫度減少的幅度。目前與Al5051這樣的鋁合金主要被用作Metal Base，而可以確信的是即使使用熱傳導(dǎo)度高的金屬或者復(fù)合材料，對Junction Temperature起到的影響也不過是1 ℃ 以下水平。