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LED的散熱會對LED芯片的效率、壽命、可靠性等產生重要影響,這就要求LED封裝具有良好的散熱能力。因此,作為LED重要構件的封裝基板不僅是載片的作用,更是散熱的重要通道之一,它的結構和材料在散熱過程中起著關鍵的作用。

適用于LED封裝用陶瓷基板和鋁基板大比拼
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目前,LED散熱基板主要使用金屬(鋁、銅)基板與陶瓷基板。金屬基板主要有鋁基板、銅基板等,陶瓷基板主要有氧化鋁、氮化鋁、氮化硅等。

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圖源自網絡

鋁基板


鋁基板是一種具有良好散熱功能的金屬基覆銅板,一般單面板由三層結構所組成,分別是電路層(銅箔)、絕緣層和金屬基層。用于高端使用的也有設計為雙面板,結構為電路層、絕緣層、鋁基、絕緣層、電路層。極少數應用為多層板,可以由普通的多層板與絕緣層、鋁基貼合而成。

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鋁基板工作原理 圖源自網絡

鋁基板廣泛應用于LED燈具中。一般線路板的材料是玻纖,但因為LED發熱較大,所以LED燈具用的一般是鋁基板,能夠導熱快。金屬基板散熱性能一般,但是比起FR4好,現有金屬基板已可達到3W/m.K,而FR4僅0.3W/m.K。

二、

陶瓷基板


陶瓷基板采用陶瓷材質,一般由氧化鋁、氮化鋁、氮化硅等為陶瓷材料。散熱性能好,可以避免散熱不足導致的短路損壞。是普通FR4的100倍,金屬基板散熱的十倍,氧化鋁陶瓷基板導熱是30-50W/m.K,如果是氮化鋁基板導熱可以去掉170 W/m.K。它具有以下性能:
 
1、機械應力強,形狀穩定;高強度、高導熱率、高絕緣性;結合力強,防腐蝕。
2、 較好的熱循環性能,循環次數達5萬次,可靠性高。
3、與PCB板(或IMS基片)一樣可刻蝕出各種圖形的結構;無污染、無公害。
4、使用溫度寬-55℃~850℃;熱膨脹系數接近硅,簡化功率模塊的生產工藝。

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氮化鋁基板 圖源自網絡

從散熱數據上來看,陶瓷基板的散熱是鋁基板的7倍以上,其中陶瓷基板分氧化鋁陶瓷基板和氮化鋁陶瓷基板等,氮化鋁陶瓷基板是氧化鋁陶瓷基板散熱的5倍。

三、

鋁基板與陶瓷基板LED應用比拼


那么應用在LED封裝散熱中,陶瓷基板與鋁金屬基板哪種更適合呢?有研究者針對陶瓷基板與鋁基板在LED芯片上的實際應用進行了對比。

以88顆LED芯片作為實驗對象,其中大功率芯片59顆,小功率芯片29顆,以同樣的排列方式分別固定在鋁基板、氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板進行測試。
 
鋁基板:

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氮化鋁陶瓷基板

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氮化鋁陶瓷基板

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其不同基板試驗結果數據如下圖所示:

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不同基板試驗對應的溫度表

通過以上熱力圖與數據對比可以看出氮化鋁陶瓷基板的散熱性能突出,氮化鋁陶瓷材料本身是絕緣體,無需像金屬基板一樣在PCB上面做絕緣層,通過垂直互聯孔形成導電通道,而陶瓷的熱膨脹系數也與大多數芯片相匹配。

鋁基板絕緣層是功率模塊結構中最大的導熱屏障。絕緣層熱傳導性能越好,越有利于器件運行時所產生熱量的擴散,也就越有利于降低器件的運行溫度,從而達到提高模塊的功率負荷,減小體積,延長壽命,提高功率輸出等目的。也就是說,鋁基板受制于絕緣層。陶瓷基板沒有絕緣層,也就不會有這樣的困擾。

如果涉及到大功率LED模組,需要極強的散熱能力,就需要陶瓷基板來替代。陶瓷基板線路對位精確度高,為業界公認的導熱與散熱性能極佳的材料,是目前高功率LED散熱最適方案,雖然成本比金屬基板高,但照明要求的散熱性及穩定性高于金屬基板。


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作者 ab

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