探讨与展望：高功率led封装的散热技术

【导读】长久以来，在对$led散热$要求不是很高的情况下，led多利用传统树脂基板进行封装。然而，随着市场应用领域不断扩大，需求层次不断提高，传统的树脂基板在高功率led世代到来后，已渐渐不敷使用。因此，探讨和展望高功率led的封装材料，便成为业界关注的热点话题。

 长久以来，在对led散热要求不是很高的情况下，led多利用传统树脂基板进行封装。然而，随着市场应用领域不断扩大，需求层次不断提高，传统的树脂基板在高功率led世代到来后，已渐渐不敷使用。因此，探讨和展望高功率led的封装材料，便成为业界关注的热点话题。

 led散热的原理
 研究表明，高功率led只能将20%的电能转化成光能，其余都会以热能的形式散失。如果高达80%的热能无法及时散失，那么led的寿命将会因此大打折扣。led的热能究竟是如何散失的呢？

 led散热能力通常受到封装模式以及封装材质的导热性影响，散热途径也不外传导、对流、辐射这三种。由于led封装材料中积聚的热能大部分是以传导方式散失，因此封装材质的选取就变得尤为重要了。

 传统材质已无法满足高功率led散热需求

 随着市场上越来越多的高功率led应用出现，在考虑如何散失热能的同时，还要兼顾led发光的稳定性与持续性。如果led的热能无法尽快散失，那么其亮度和寿命都将下降得很快。所以，对于高功率led而言，传统的环氧树脂受其特性所限，已不符合其对散热的需求。

 在led低功率或一般功率的使用条件下，环氧树脂热传导率较低和耐热性较差的缺点还没被完全凸现。但如果再用环氧树脂作为封装高功率led的材质，则很可能出现led芯片本身寿命还未达到之前，环氧树脂就已经无以为继的情况。
 此外，不仅散热现象会使环氧树脂产生变化，甚至连短波长也会对环氧树脂造成困扰。这是因为在白光led发光光谱中也包含短波长光线，而环氧树脂很容易受到白光led中的短波长光线破坏。即使是低功率的白光led，已能使环氧树脂破坏情况加剧，更何况高功率的白光led所发出的短波长光线更多，恶化现象自然更加快速和严重。因此，找到全新材质来替代环氧树脂封装高功率led已经迫在眉睫。

 led散热基板类型

 目前，常见的led散热基板类型包括：硬式印刷电路板、高热导系数铝基板、陶瓷基板、软式印刷电路板、金属复合材料，等等。

 硬式印刷电路板（printedcircuitboard;pcb）多用于各项电子基板，LED控制器但却无法承受高功率led所散失出的热能，因此应用局限于低功率和一般功率的led，不具备向高功率led延伸应用的可能。

 高热导系数铝基板（metalcorepcb;mcpcb）是将pcb下方基材改为铝合金，一般来说，虽然纯铝的散热系数较铝合金高，但由于纯铝的硬度不高造成使用上的出现困难，因此只会以铝合金来当制作基板的材质。

 陶瓷基板目前有三种，即al2o3（氧化铝）、ltcc（低温共烧陶瓷）、aln（氮化铝）。单就技术水准而言，无疑以氮化铝最高，低温共烧陶瓷次之。由低温共烧陶瓷制作的led基板，虽然有散热性更好，且耐高温、耐潮湿等优点，但由于其价格高出传统基板数倍，所以直至今日仍不是制作散热型基板的理想材质。当然，如果不考虑价格因素，那么陶瓷基板还是当之无愧的首选。

 软式印刷电路板（fpc）具有重量轻、厚度薄、可挠、运用空间灵活等优点，热导系数也优于传统pcb基板和mcpcb基板，且应用面积大于陶瓷基板。但是，该技术目前仍处实验阶段，良率偏低，所以尚无法大规模投产。

 金属基板成为高功率led首选

 通过上述比较，由于金属基板相对而言性价比最高，因此它也成为led高功率条件下的首选方案。而且，随着led芯片大型化、大电流化、高功率化发展，金属封装基板取代传统树脂封装基板的脚步也会越来越快。

 就目前高散热金属基板的材质而言，可分成硬质与可挠两种。LED控制器结构上，硬质基板属于传统金属材质，采用铝、铜等金属，绝缘层部分则大多填充高热导性的无机物。这种金属基板拥有高热导性、高耐热性，以及电磁屏蔽等优点，其厚度通常大于1毫米，因此广泛应用于led灯具模块和照明模块当中，大大有助于高功率 led在路灯方面的推广和普及。

 可挠基板大有可为

 一般而言，金属封装基板热导效率大约为2w/m•k.但由于高效率led的散热要求更高，所以为了满足4~6w/m•k的热导效率，目前已经出现热导效率超过8w/m•k的金属封装基板。由于硬质金属封装基板主要是为满足高功率led封装，因此各封装基板厂商正在积极开发可以提高热导效率的技术。

 不过，金属封装基板同样具有金属热膨胀系数很大的缺点，LED控制器当与低热膨胀系数的陶瓷芯片进行焊接时，容易受到热循环冲击，所以当使用氮化铝进行封装时，金属封装基板就可能发生不协调现象，因此必需克服led中各种不同热膨胀系数材料之间的热应力差异，提高封装基板的可靠性。

 可挠基板的出现，恰恰解决了上述难题。高热传导可挠基板，是在绝缘层上黏贴金属箔，虽然基本结构与传统可挠基板完全相同，但在绝缘层方面，LED控制器却是采用软质环氧树脂充填高热传导性无机物，因此具有8w/m?k的高热传导性，同时还兼具柔软可挠与高可靠性的优点。此外，可挠基板还可依照客户需求，将单面单层板设计成单面双层、双面双层板。根据实验结果显示，使用高热传导可挠基板可使led的温度大约降低100摄氏度，这可大为提高led的使用寿命。