LED灯散热途径分析与陶瓷基板研究

摘要

led具有节能、省电、高效、反应时间快等特点已得到广泛应用，但是led发光时所产生的热能若无法导出，将会导致led工作温度过高，从而影响led灯的寿命、光效以及稳定性。本文从led温度产生的原因出发，分析led灯的散热途径以及陶瓷散热基板技术。

【关键词】led灯散热陶瓷基板

led半导体照明芯片工作时发的光线是不含紫外线和红外线的，因此它的光线不能带走热量，所以工作时温度就会不断上升。为了降低led工作温度，延长led灯的寿命就必须要把它发光时产生的热能及时导出。led 从芯片到整个散热器的每一个环节都必须充分考虑散热。任何一个环节不当的设计都会引起严重的散热问题。

1 温度对led灯的影响

led的光衰表明了它的寿命，随着使用的时间，亮度会就越来越暗，直到最后熄灭。通常定义衰减30%的时间作为其寿命。led温度与寿命的关系图如图1所示，从图中我们可以看到，led灯的寿命随着工作温度的升高而缩短。

图2是结面温度与发光量之间的关系图，如果结温为25度时发光为率100%的话，那么当结温上升到50度时，发光率下降到95%；100度时下降到80%；150 度就只有68%。

2 led温度产生原因分析

led发热是因为加入的电能只有约20%-30%转换成了光能，而一大部分都转化成了热能。led结温的产生是由于两个因素所引起的。

（1）pn区载流子的复合率并不是100%，也就是电子和空穴复合的时候不全都产生光子，泄漏电流及电压的乘积就是这部分产生的热能。但现在内部光子效率已经接近于90%，因此这部分热能并不是led结温产生的主要因素。

（2）导致led结温的是主要因素是内部复合产生的光子不能全部射出到芯片外部而转化的热能，目前这种外部量子效率只有30%左右，其大部分都转化为热量了。

led散热可以通过以下途径实现：

（1）从空气中散热；

（2）热能直接由电路板导出；

（3）经由金线将热能导出；

（4）若为共晶及flip chip 制程，热能将经由通孔至系统电路板而导出。

以上散热途径中，散热基板材料的选择与其led晶粒的封装方式于led热散管理上占了极为重要的一环。

3 陶瓷散热基板

led散热基板有金属和陶瓷基板这两种。目前led产品一般会采用金属基板，因为金属基板的材料主要是铝或铜，成本低，技术也比较成熟。但是，陶瓷基板的导热和散热性能比金属基板好，是目前高功率led散热最合适的方案。照明对散热性及稳定性的要求远高于电视、电脑等电子产品，即使陶瓷基板成本比高于金属基板，包括cree、欧司朗、飞利浦及日亚化等国际大厂也都使用陶瓷基板作为led晶粒散热材质。

现在市面上通用的大功率led散热基板如图3所示，其结构一般都为铝基板：其最下层为厚度约为1.3mm铝金属层；铝层之上为厚约0.1mm高分子绝缘层；最上层为焊接电路以及铜线路。，由于绝缘层导热系数极低，即使铝的导热系数比较高，绝缘层也会成为该结构基板的散热瓶颈，影响整个基板的散热效果；其次绝缘层的存在，导致其无法承受高温焊接，限制了封装结构的优化，影响了封装工艺的实施，不利于led的散热。

陶瓷基板是指在高温下把铜箔直接键合到氮化铝（aln）或氧化铝（al2o3）陶瓷基片表面（单面或双面）上的特殊工艺板。通过这种工艺制作的超薄复合基板具有非常优良的电气

绝缘性能，较高的导热特性，高的附着强度以及优异的软钎焊性，并且它可以刻蚀出各种各样的图形，具有非常大的载流能力。现在，陶瓷基板已成为互连技术和大功率电力电子电路结构的基础材料，逐步取代铝基板。

表1是陶瓷散热基板与金属散热对比表，由于具有新的导热材料和新的内部结构陶瓷散热基板，消除了铝金属基板所具有的各种缺陷，从而大大地改善基板的整体散热效果以线路备制方法不同，陶瓷基板主要分为低温共烧多层陶瓷、厚膜陶瓷基板、以及薄膜陶瓷基板三种，在传统高功率led元件，多以厚膜或低温共烧陶瓷基板作为晶粒散热基板为主，将金线与led晶粒与陶瓷基板结合。

厚膜陶瓷基板采用网印技术生产，先借用刮刀将材料印制于基板上，然后经过烧结、干燥、雷射等步骤而成，目前大陆厚膜陶瓷基板主要制造商为大豪、九龙等公司。一般而言，用网印方式生产制作的线路由于网版张网等问题，比较容易产生对位不精准、线路粗糙等现象。此外，由于多层陶瓷所采用叠压烧结工艺，会带来收缩比例的问题，这就限制了其工艺的解析度。

低温共烧多层陶瓷技术，以陶瓷作为基板材料，须先将约30%～50%的玻璃材料与无机的氧化铝粉加上有机黏结剂均匀混合成为泥状的浆料，然后把浆料用刮刀刮成片状，再经由干燥工艺将片状浆料生成薄薄的生胚，然后按各层设计要求钻导通孔，以此作为各层讯号的传递， ltcc内部线路则采用网版印刷技术，在生胚上分别做填孔及印制线路，内外电极可由银、铜、金等金属组成，最后将各层做叠层动作，放置于850～900℃的烧结炉中烧结成型。

由于厚膜制作过程中出现的张网问题，以及多层叠压烧结后出现收缩比例问题，近年来发展出以薄膜陶瓷基板作为led晶粒的散热基板。薄膜散热基板采用电/电化学沉积、溅镀、以及黄光微影制程制作而成。

4 结论

随着陶瓷基板产品的问世，散热应用行业开启了新的篇章。由于陶瓷基板优良的散热特色，随着生产技术、设备的改良，产品的性价比大大的提高，进而扩大led产业的应用领域。陶瓷基板的开发成功，更将成为户外亮化和室内照明产品提供服务，使led产业未来的发展域更宽广。