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适用于LED封装用陶瓷基板和铝基板大比拼
LED的散热会对LED芯片的效率、寿命、可靠性等产生重要影响,这就要求LED封装具有良好的散热能力。因此,作为LED重要构件的封装基板不仅是载片的作用,更是散热的重要通道之一,它的结构和材料在散热过程中起着关键的作用。

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目前,LED散热基板主要使用金属(铝、铜)基板与陶瓷基板。金属基板主要有铝基板、铜基板等,陶瓷基板主要有氧化铝、氮化铝、氮化硅等。


图源自网络

铝基板


铝基板是一种具有良好散热功能的金属基覆铜板,一般单面板由三层结构所组成,分别是电路层(铜箔)、绝缘层和金属基层。用于高端使用的也有设计为双面板,结构为电路层、绝缘层、铝基、绝缘层、电路层。极少数应用为多层板,可以由普通的多层板与绝缘层、铝基贴合而成。

铝基板工作原理 图源自网络


铝基板广泛应用于LED灯具中。一般线路板的材料是玻纤,但因为LED发热较大,所以LED灯具用的一般是铝基板,能够导热快。金属基板散热性能一般,但是比起FR4好,现有金属基板已可达到3W/m.K,而FR4仅0.3W/m.K。

二、

陶瓷基板


陶瓷基板采用陶瓷材质,一般由氧化铝、氮化铝、氮化硅等为陶瓷材料。散热性能好,可以避免散热不足导致的短路损坏。是普通FR4的100倍,金属基板散热的十倍,氧化铝陶瓷基板导热是30-50W/m.K,如果是氮化铝基板导热可以去掉170 W/m.K。它具有以下性能:
 
1、机械应力强,形状稳定;高强度、高导热率、高绝缘性;结合力强,防腐蚀。
2、 较好的热循环性能,循环次数达5万次,可靠性高。
3、与PCB板(或IMS基片)一样可刻蚀出各种图形的结构;无污染、无公害。
4、使用温度宽-55℃~850℃;热膨胀系数接近硅,简化功率模块的生产工艺。

氮化铝基板 图源自网络


从散热数据上来看,陶瓷基板的散热是铝基板的7倍以上,其中陶瓷基板分氧化铝陶瓷基板和氮化铝陶瓷基板等,氮化铝陶瓷基板是氧化铝陶瓷基板散热的5倍。


三、

铝基板与陶瓷基板LED应用比拼


那么应用在LED封装散热中,陶瓷基板与铝金属基板哪种更适合呢?有研究者针对陶瓷基板与铝基板在LED芯片上的实际应用进行了对比。



以88颗LED芯片作为实验对象,其中大功率芯片59颗,小功率芯片29颗,以同样的排列方式分别固定在铝基板、氧化铝陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板进行测试。
 
铝基板:

图源自网络

氮化铝陶瓷基板

图源自网络

氮化铝陶瓷基板

图源自网络


其不同基板试验结果数据如下图所示:

不同基板试验对应的温度表


通过以上热力图与数据对比可以看出氮化铝陶瓷基板的散热性能突出,氮化铝陶瓷材料本身是绝缘体,无需像金属基板一样在PCB上面做绝缘层,通过垂直互联孔形成导电通道,而陶瓷的热膨胀系数也与大多数芯片相匹配。

铝基板绝缘层是功率模块结构中最大的导热屏障。绝缘层热传导性能越好,越有利于器件运行时所产生热量的扩散,也就越有利于降低器件的运行温度,从而达到提高模块的功率负荷,减小体积,延长寿命,提高功率输出等目的。也就是说,铝基板受制于绝缘层。陶瓷基板没有绝缘层,也就不会有这样的困扰。


如果涉及到大功率LED模组,需要极强的散热能力,就需要陶瓷基板来替代。陶瓷基板线路对位精确度高,为业界公认的导热与散热性能极佳的材料,是目前高功率LED散热最适方案,虽然成本比金属基板高,但照明要求的散热性及稳定性高于金属基板。



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