LED照明燈散熱途徑與陶瓷基板技術
文章來源:恒光電器
發布時間:2015-09-08
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LED半導體照明芯片工作時發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，所以工作時溫度就會不斷上升。為了降低LED工作溫度，延長LED燈的壽命就必須要把它發光時產生的熱能及時導出。LED從芯片到整個散熱器的每一個環節都必須充分考慮散熱。任何一個環節不當的設計都會引起嚴重的散熱問題。
溫度對LED燈的影響
LED的光衰表明了它的壽命，隨著使用的時間，亮度會就越來越暗，直到最后熄滅。通常定義衰減30% 的時間作為其壽命。LED溫度與壽命的關系圖如圖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 是結面溫度與發光量之間的關系圖，如果結溫為25 度時發光為率100% 的話，國際資訊，那么當結溫上升到50 度時，發光率下降到95%；100 度時下降到80%；150 度就只有68%。
LED溫度產生原因分析
LED發熱是因為加入的電能只有約20%-30% 轉換成了光能，而一大部分都轉化成了熱能。LED結溫的產生是由于兩個因素所引起的。
（1）PN 區載流子的復合率并不是100%，也就是電子和空穴復合的時候不全都產生光子，星級酒店照明燈具，節能與環保，泄漏電流及電壓的乘積就是這部分產生的熱能。但現在內部光子效率已經接近于90%，因此這部分熱能并不是LED結溫產生的主要因素。
（2）導致LED結溫的是主要因素是內部復合產生的光子不能全部射出到芯片外部而轉化的熱能，目前這種外部量子效率只有30%左右，辦公照明，其大部分都轉化為熱量了。
LED散熱可以通過以下途徑實現：（1）從空氣中散熱；（2）熱能直接由電路板導出；（3）經由金線將熱能導出；（4）若為共晶及Flip chip 制程，熱能將經由通孔至系統電路板而導出。
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。
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產品一般會采用金屬基板，3c認證，因為金屬基板的材料主要是鋁或銅，成本低，技術也比較成熟。但是，商業照明，陶瓷基板的導熱和散熱性能比金屬基板好，行業資訊，是目前高功率LED散熱最合適的方案。照明對散熱性及穩定性的要求遠高于電視、電腦等電子產品，照明資質，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際大廠也都使用陶瓷基板作為LED晶粒散熱材質。
現在市面上通用的大功率LED散熱基板如圖3 所示，其結構一般都為鋁基板：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。，由于絕緣層導熱系數極低，即使鋁的導熱系數比較高，絕緣層也會成為該結構基板的散熱瓶頸，影響整個基板的散熱效果；其次絕緣層的存在，導致其無法承受高溫焊接，限制了封裝結構的優化，影響了封裝工藝的實施，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合基板具有非常優良的電氣絕緣性能，較高的導熱特性，高的附著強度以及優異的軟釬焊性，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。現在，陶瓷基板已成為互連技術和大功率電力電子電路結構的基礎材料，逐步取代鋁基板。
表1 是陶瓷散熱基板與金屬散熱對比表，節能與環保，由于具有新的導熱材料和新的內部結構陶瓷散熱基板，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晶粒與陶瓷基板結合。
厚膜陶瓷基板采用網印技術生產，先借用刮刀將材料印制于基板上，然后經過燒結、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，用網印方式生產制作的線路由于網版張網等問題，比較容易產生對位不精準、線路粗糙等現象。此外，由于多層陶瓷所采用疊壓燒結工藝，會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，以陶瓷作為基板材料，須先將約30% ～ 50% 的玻璃材料與無機的氧化鋁粉加上有機黏結劑均勻混合成為泥狀的漿料，然后把漿料用刮刀刮成片狀，再經由干燥工藝將片狀漿料生成薄薄的生胚，然后按各層設計要求鉆導通孔，以此作為各層訊號的傳遞， LTCC 內部線路則采用網版印刷技術，恒光電器,照亮您的生活，在生胚上分別做填孔及印制線路，內外電極可由銀、銅、金等金屬組成，最后將各層做疊層動作，放置于850 ～ 900℃的燒結爐中燒結成型。
由于厚膜制作過程中出現的張網問題，以及多層疊壓燒結后出現收縮比例問題，近年來發展出以薄膜陶瓷基板作為LED晶粒的散熱基板。薄膜散熱基板采用電/ 電化學沉積、濺鍍、以及黃光微影制程制作而成。
結論
隨著陶瓷基板產品的問世，散熱應用行業開啟了新的篇章。由于陶瓷基板優良的散熱特色，LED-T5一體化燈管，隨著生產技術、設備的改良，辦公照明，產品的性價比大大的提高，進而擴大LED產業的應用領域。陶瓷基板的開發成功，更將成為戶外亮化和室內照明產品提供服務，星級酒店照明燈具，使LED產業未來的發展域更寬廣。
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