大功率LED导热散热方案.pdf

http:/http:/http:/http:/ShanghaiShanghaiShanghaiShanghaiCNCUNCNCUNCNCUNCNCUNCo,.LTDCo,.LTDCo,.LTDCo,.LTDTei:008621-5483021Tei:008621-5483021Tei:008621-5483021Tei:008621-5483021Fax:[phone]Fax:[phone]Fax:[phone]Fax:[phone]UninwellUninwellUninwellUninwell大功率大功率LEDLEDLEDLED 散热和导热整体解决方案散热和导热整体解决方案上海常祥实业 LED材料事业部是 LED 辅料的专业供应商，同时对大功率LED 的散热问题有很好的研究，现在把大功率 LED散热问题总结如下，共爱好者参考。Uninwell 作为全球导电导热的领导厂商，对导电和导热有很深刻的把握，基于总体导热和导电的理念，集合公司应用于其他行业，如（CPV聚光太阳能电池）的导热散热设计材料，提出用于大功率 LED 散热和导热总体解决方案。Uninwell 大功率 LED 散热和导热材料涉及以下几个环节：1、晶片 PN 结到外延层；2、外延层到封装基板；3、封装基板到外部冷却装置再到空气。一、大功率 LED高导热导电银胶解决晶片 PN 结到外延层散热问题导电银胶是 LED生产封装中不可或缺的一种胶水，其对导电银胶的要求是导电、导热性能要好，剪切强度要大，并且粘结力要强。Uninwell International 作为世界高端粘电子胶粘剂的领导品牌，公司以“您身边的高端电子粘结防护专家”为服务宗旨。Uninwell International 导电银胶、导电银浆、贴片红胶、底部填充胶、TUFFY胶、光刻胶、UV 胶、异方性导电胶 ACP、太阳能电池导电浆料等系列电子胶粘剂具有最高的产品性价比，公司在全球拥有 141 家世界五百强客户。最近，Uninwell International 与上海常祥实业强强联合，共同开发中国高端电子胶粘剂市场。Uninwell International BQ-6886 系列大功率 LED 导电银胶高导热导电银胶具有导电性好、剪切力强、流变性也很好、并且吸潮性低。特别适合大功率高亮度 LED的封装。此高导热银胶导热系数为：25.8 剪切强度为：14.7，为行业之最。长久以来，显示应用一直是 LED的主要诉求，对于 LED 的散热性要求不甚高的情况下，LED多利用传统环氧树脂基板进行封装。2000 年以后，随LED 高辉度化与高效率化技术发展，再加上蓝光 LED发光效率大幅改善，与LED 制造成本持续下滑，让 LED应用范围、及有意愿采用 LED的产业范围不断扩增，包括液晶、家电、汽车等业者，也开始积极考虑应用 LED 的可能性，例如消费性产品业者对于高功率 LED的期待是，能达到省电、高辉度、长使用寿命、高色再现性，这代表着达到高散热性能力，是高功率 LED 封装基板不可欠缺的条件。此外，液晶面板业者面临欧盟 RoHS规范，需正视将冷阴极灯管全面无水银化的环保压力，造成市场对于大功率 LED的需求更加急迫。LED封装除了保护内部 LED 芯片外，还兼具 LED芯片与外部作电气连接、散热等功能。二 高导热导电银胶 BQ-6886 成为大功率 LED固晶散热新趋势1 个 LED能达到几百流明，这基本上不是大问题，主要的问题是，如何去处理散热？接下来在产生这么大的流明后如何维持亮度的稳定与持续性，这又是另一个重要课题，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。以往 LED是使用低热传导率树脂进行封装，不过这被视为是影响散热特性的原因之一，此外，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带来的变色困扰，不如朝寻求新 1 代的封装材料努力。Uninwell International 研制的 BQ-6886 系列大功率 LED银胶是中等粘度、高粘接强度的高导热导电银http:/http:/http:/http:/ShanghaiShanghaiShanghaiShanghaiCNCUNCNCUNCNCUNCNCUNCo,.LTDCo,.LTDCo,.LTDCo,.LTDTei:008621-5483021Tei:008621-5483021Tei:008621-5483021Tei:008621-5483021Fax:[phone]Fax:[phone]Fax:[phone]Fax:[phone]胶。适用于发光二极管（LED）、尤其是功率型 LED、光电器件和电子器件的粘接和封装。特别适合 LED、大功率高亮度 LED，导热系数为：25.8 剪切强度为：14.7，为行业之最。LED芯片至封装体的热传导：采用胶体来把热量传导出去，对于 GaAs、SiC 导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，可以采用高导热导电银胶：BQ-6886 系列，对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用导热绝缘胶 FS-1100 来固定芯片三 Uninwell 陶瓷基板和金属基板成大功率 LED散热新焦点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高效率化之后另一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 UninwellInternational 陶瓷基板或者高散热金属基板 FS 系列进行封装。其中 Uninwell 的低温共烧陶瓷金属基板技术首先制备出适于共晶焊的大功率 LED芯片和相应的陶瓷基板 FSC 系列，然后将 LED芯片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热界面少，大大提高了散热性能，为大功率 LED阵列封装提出了解决方案。另外一种工艺为高导热性覆铜陶瓷板 FSCC系列，由陶瓷基板（AlN或 Al2O3）和导电层（Cu）在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强，如图 2（b）所示。其中氮化铝（AlN）的热导率为 160W/mk，热膨胀系数为 4.0106/（与硅的热膨胀系数 3.2106/相当），从而降低了封装热应力。Uninwell 提供的大功率 LED热沉/大功率 LED 金属散热板 FSCA 系列，专为大功率LED 芯片导热而设计，材料采用铜或铝,热导率为：200400w/m.k。主要原因是，基板的散热性直接影响 LED寿命与性能，因此 Uninwell 提供的金属基板成为设计大功率 LED商品的开发重点。四、Uninwell 高导热可挠曲散热基板引领大功率 LED散热新坐标可挠曲基板的出现，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 46W/m K 热传导率的需要，目前 Uninwell 推出热传导率超过 27.6W/m K的金属封装基板。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现象，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。Uninwell 采取的工艺是在绝缘层黏贴金属箔，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，是采用公司独有的软质可扰树脂充填高热传导性无机填充物，因此具有 18W/m K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，客户使用 Uninwell 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。五、Uninwell International 整体散热方案1、LED芯片至封装体的热传导：采用胶体来把热量传导出去，对于 GaAs、SiC 导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，可以采用高导热导电银胶：BQ-6886 系列，对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光 LED芯片，采用导热绝缘胶 FS-1100 来固定芯片http:/http:/http:/http:/ShanghaiShanghaiShanghaiShanghaiCNCUNCNCUNCNCUNCNCUNCo,.LTDCo,.LTDCo,.LTDCo,.LTDTei:008621-5483021Tei:008621-5483021Tei:008621-5483021Tei:008621-5483021Fax:[phone]Fax:[phone]Fax:[phone]Fax:[phone]、封装体至外部的热传导：采用陶瓷或者金属高散热基板材料来把热量传导至外部。Uninwell 导热层采用金属 LED封装基板采铝或者铜等高导热材料，绝缘层采用公司独有的高导热绝缘浆料，此系列导热绝缘材料拥有高热传导性、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，广泛应用在 LED灯具模块，与照明模块等。3、高导热可挠曲基板：Uninwell 采取的工艺是在绝缘层黏贴金属箔，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，是采用公司独有的软质可扰树脂充填高热传导性无机填充物，因此具有 20W/m K 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，客户使用 Uninwell 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。总之，Uninwell 最近提出的 LED散热解决方案，是以总体散热和热阻的观念为基础，热阻要低不仅仅是要用对导热胶，还要改善导热胶所接合的各种介质的介面热阻：例如磊晶与基板，基板与散热模组。如果在磊晶黏着时，就以高导热导电银胶 BQ-6886系列来固晶，电路板与导热基板间也采用高导热绝缘浆料FS-2800，再与 Uninwell 独有的散热基板 FS-3800 系列黏合，就能彻底降低总体热阻，让 LED 的效率更为有效发挥。不过，仅仅依赖封装基板，往往无法满足实际需求，因此基板外围材料的配合也变得更加重要，例如配合 3W/m K 的 Uninwell 导热导电相变材料 BQ-9111 和 Uninwell 导热绝缘相变材料 BQ-9666，就能够更有效再提高其散热性。