铝基板LED散热模块热传材料分析

小强铝基板制作
概
述
在 LED 产品应用中﹐通常需要将多个 led 组装在一电路基板上。 电路基板除了扮演承载 LED 模块结构的角色外﹐另一方面﹐随着 LED 输出功率越来越高,基板还必须扮演散热的角色﹐以将 LED 晶体 产生的热传派出去﹐因此在材料选择上必须兼顾结构强度及散热方 面的要求。 传统 LED 由于 LED 发热量不大﹐散热问题不严重﹐因此只要运 用一般的铜箔印刷电路板(PCB)即可。 但随着高功率 LED 越来越盛行 PCB 已不足以应付散热需求。 因此需再将印刷电路板贴附在一金属板 上，即所谓的 Metal Core PCB，以改善其传热路径。另外也有一种做 法直接在铝基板表面直接作绝缘层或称介电层， 再在介电层表面作电 路层，如此 LED 模块即可直接将导线接合在电路层上。同时为避免 因介电层的导热性不佳而增加热阻抗，有时会采取穿孔方式，以便让 LED 模块底端的均热片直接接触到金属基板，即所谓芯片直接黏着。 接下来介绍了几种常见的 LED 基板材料﹐并作了比较。 印刷电路基板(PCB) 常用 FR4 印刷电路基板，其热传导率 0.36W/m.K，热膨胀系数 在 13 ~ 17ppm/K。可以单层设计，也可以是多层铜箔设计(如图 2)。 优点︰技术成熟， 成本低廉， 可适用在大尺寸面板。 缺点︰热性能差， 一 般 用 于 传 统 的 低 功 率 LED 。

小强铝基板制作
图 1 多层 PCB 的散热基板 金属基印制板(MCPCB) 由于 PCB 的热导率差﹑散热效能差﹐只适合传统低瓦数的 LED。因此后来再将印刷电路基板贴附在一金属板上﹐即所谓的 Metal Core PCB。 金属基电路板是由金属基覆铜板(又称绝缘金属基板) 经印刷电路制造工艺制作而成。 根据使用的金属基材的不同，分为铜基覆铜板、铝基覆铜板、铁 基覆铜板﹐一般对于 LED 散热大多应用铝基板。如下图：
图 2 金属基电路板的结构 MCPCB 的优点： （1）散热性 常规的印制板基材如 FR4 是热的不良导体，层间绝缘，热量散

小强铝基板制作 发不出去。而金属基 印制板可解决这一散热难题。 （2）热膨胀性 热 胀 冷 缩 是 物 质 的 共 同 本 性 ， 不 同 物 质 CTE(Coefficient of thermal expansion)即热 膨胀系数是不同的。印制板(PCB)的金属化孔壁和相连的绝缘壁在 Z 轴的 CTE 相差很大，产生的热不能及时排除，热胀冷缩使金属化孔 开裂、断开 。金属基印制板可有效地解决散热问题，从而使印制板 上的元器件不同物质的热胀冷缩问题缓解， 提高了整机和电子设备的 耐用性和可靠性。 （3）尺寸稳定性 金属基印制板，显然尺寸要比绝缘材料的印制板稳定得多。铝基 印制板、 铝夹芯板， 30℃加热至 140~150℃， 从 尺寸变化为 2.5~3.0%. MCPCB 的结构 目前市场上采购到的标准型金属基覆铜板材由三层 不同材料所构成：铜、 绝缘层、金属板（铜、铝、钢板） ，而铝基覆 铜板最为常见。 a）金属基材 以美国贝格斯为例﹐见下表(图 3)：

小强铝基板制作
b）绝缘层 起绝缘层作用，通常是 50~200um。若太厚，能起绝缘作用，防 止与金属基短路的效果好，但会影响热量的散发；若太薄，能较好散 热，但易引起金属芯与组件引线短路。 绝缘层（或半固化片） ，放在经过阳极氧化，绝缘处理过的铝板 上，经层压用表面的铜层牢固结合在一起。 c）铜箔 铜箔背面是经过化学氧化处理过的，表面镀锌和镀黄铜，目的是 增加抗剥强度。铜厚通常为 0.5、1.2 盅司。如美国贝格斯公司使用的 是 ED 铜，铜厚有 1、2、3、4、6 盅司 5 种。我们为通信电源配套制 作的铝基板使用的是 4 盅司的铜箔（140 微米） 。 MCPCB 技术参数和特点

小强铝基板制作 技术参数(图 4) 产品特点﹕ (1) 绝缘层薄，热阻小 (2) 机械强度高 (3) 标准尺寸：500×600mm (4) 标准尺寸：0.8、1.0、1.2、1.6、2.0、3.0mm (5) 铜箔厚度:18um 、35um、70um 、105um MCPCB 应用产品举例(图 5)

小强铝基板制作 陶瓷基板(Ceramic Substrate)
Ceramic Substrate: 以烧结的陶瓷材料作为 LED 封装基板，具有 绝缘性， 无须介电层， 有不错的热传导率， 热膨胀系数(4.9 ~ 8ppm/K)， 与 LED chip、Si 基板或 Sapphire 较匹配，比较不会因热产生热应力 及热变形。 典型的陶瓷基板，如 AIN，其热导率约在 170 ~ 230W/m.K，热 膨胀系数 3.5 ~ 5ppm/K。价格较贵，尺寸限于 4.5 平方英寸以下，无 法用于大面积面板，适合高温环境高功率 LED 使用。 AlN 陶瓷基板与其它材料之热特性比较(图 7)

小强铝基板制作
AlN 陶 瓷 基 板 有 不 错 的 热 传 导 率 ， 热 膨 胀 系 数 LED chip (CTE=5ppm/K)较匹配。 直接铜结合基板(DBC Substrate) 特点︰ 在金属基板直接共烧接合陶瓷材料， 兼具高热传导率及低热膨胀 性，还具介电性。 允许制程温度、运作温度达 800℃以上。 由德国 Curamik 公司所发展的直接铜接合基板， 是在铜板与陶瓷 (Al2O3、AlN)之间，先通入 O2 使其与 Cu 响应生成 CuO，同时使纯 铜的熔点由 1083℃降低至 1065℃的共晶温度。接着加热至高温使 CuO 与 Al2O3 或 AlN 回应形成化合物，而使铜板与陶瓷介电层紧密 接合在一起。 (图 5) 此种含介电层的铜基板具有很好的热扩散能力，且介电层如为 Al2O3 则其热传导率为 24W/m.K，热膨胀系数 7.3ppm/K，如为 AlN 则其热传导率为 170W/m.K，热膨胀系数 5.6ppm/K，比前几种基板具 有更佳的热效能，同时适合于高温环境及高功率或高电流 LED 之使