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高功率LED散熱基板的種類(lèi)與應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2011-05-12

中心議題:
  • LED散熱的原理與結(jié)構(gòu)
  • LED散熱基板的種類(lèi)與應(yīng)用
  • LED基板選用方式

一般使用的功率或是低功率LED封裝,普通電子業(yè)界用的PCB版及可以滿(mǎn)足需求,但是隨著市場(chǎng)需求的層次擴(kuò)大,迎接高功率的時(shí)機(jī)到來(lái),PCB基板漸漸的不敷使用...

在LED產(chǎn)業(yè)前景一片看好時(shí),高功率LED是目前大家關(guān)注的焦點(diǎn),發(fā)展高功率的利基點(diǎn),除了考慮臺(tái)灣產(chǎn)業(yè)本身的結(jié)構(gòu)鏈、高功率的組態(tài)和散熱方式、散熱基板的發(fā)展背景以及目前散熱基板的技術(shù)演進(jìn)。

LED散熱的原理與結(jié)構(gòu)

高功率的LED,所輸入能源只有20%轉(zhuǎn)化成光,其余的都以熱的形態(tài)消耗掉,若這些熱能未能及時(shí)的排出外界,那么LED的壽命就會(huì)因此大打折扣。那么LED的熱能是如何排出的呢?LED散熱能力通常受照封裝模式、及使用材質(zhì)的導(dǎo)熱性所影響,熱的散逸途徑不外乎傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射這3大類(lèi),而LED的封裝材料里積聚的熱能,大部分是以傳導(dǎo)方散出,所以封裝方式和材質(zhì)選用就相當(dāng)關(guān)鍵。

傳統(tǒng)炮彈型封裝,以插件式運(yùn)用,廣泛運(yùn)在家電或是通訊產(chǎn)品的指示燈,??吹降念伾酁榧t、黃、綠色光等,但因?yàn)榇蟛糠諰ED產(chǎn)生的熱只能藉由2根導(dǎo)線,往組裝的基板上導(dǎo)熱,散熱效果不佳。

平板型的封裝方式,因?yàn)檎w與基板貼合,整體導(dǎo)熱面積增加,加上近年來(lái)基板材質(zhì)已針對(duì)散熱,作許多研發(fā)與改良,LED運(yùn)用也就更為廣泛。


圖1:傳統(tǒng)與新型態(tài)的封裝方式。

LED散熱基板的種類(lèi)

目前常見(jiàn)的基板種類(lèi)有,硬式印刷電路板、高熱導(dǎo)系數(shù)鋁基板、陶瓷基板、軟式印刷電路板、金屬?gòu)?fù)合材料。硬式印刷電路板(PrintedCircuitBoard;PCB),多用于各項(xiàng)電子基板,最常見(jiàn)到的就是計(jì)算機(jī)內(nèi)部的各項(xiàng)組件,如主機(jī)板、顯示卡、聲卡…等。臺(tái)灣發(fā)展了30多年,有完整的體系,從上游到下游,有助于LED基板的發(fā)展。

傳統(tǒng)的PCB板,無(wú)法乘載高功率的熱能,發(fā)展仍停在低功率的LED,但由于轉(zhuǎn)型、投資、技術(shù)等其它考慮,并不會(huì)往高功率的LED生產(chǎn)研發(fā)方向規(guī)劃,而會(huì)以現(xiàn)有的機(jī)臺(tái)、或是利用其它電子基板技術(shù)轉(zhuǎn)移到LED運(yùn)用上,達(dá)到降低成本、提高效率目的。

高熱導(dǎo)系數(shù)鋁基板(MetalCorePCB;MCPCB),,是以PCB將下方基材改為鋁合金,一般來(lái)說(shuō)純鋁的散熱系數(shù)k(W/mK)較鋁合金高,但由于純鋁的硬度不高造成使用上的困難,所以會(huì)以鋁合金的型式,來(lái)制作基板。

在MCPCB國(guó)內(nèi)廠商發(fā)展出不同型態(tài)的種類(lèi),有以軟板取代氧化鋁板方式,發(fā)揮高效能的散熱,也有的廠商改變樹(shù)脂配方,不但將涂布的關(guān)鍵技術(shù)提升,也顧慮到基材的環(huán)保問(wèn)題。


圖2:傳統(tǒng)電子零件用PCB板與LED用PCB板,在材料本質(zhì)上架構(gòu)相同,但為了達(dá)到不同用途,還是會(huì)有微小差異。
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陶瓷基板目前有3大類(lèi),Al2O3(氧化鋁)、LTCC(低溫共燒陶瓷)、AlN(氮化鋁),技術(shù)門(mén)坎性而言,但AlN最高、LTCC次之。

由陶瓷燒結(jié)而成得LED基板,有散熱性佳、耐高溫、耐潮濕等優(yōu)點(diǎn)。但是價(jià)格高出傳統(tǒng)基板數(shù)倍,所以至今仍不是散熱型基板主要組件,但若不考慮價(jià)格因素,陶瓷基板是為最佳首選。

未來(lái)需要耐高溫的LED,會(huì)以需長(zhǎng)時(shí)間照明的路燈、需強(qiáng)光照明的醫(yī)療燈具...等用途為主,陶瓷基板的優(yōu)勢(shì),要選擇需高度散熱的商品,且需有完備規(guī)格,才能符合生產(chǎn)效益比,才會(huì)有前景。


圖3:不同種類(lèi)陶瓷基板,以瓦數(shù)、內(nèi)部顏色組件作區(qū)分。


軟式印刷電路板(FPC)具有重量輕、可撓性、厚度薄、運(yùn)用空間靈活等優(yōu)點(diǎn),熱傳導(dǎo)系數(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)PCB基板或是MCPCB基板,且應(yīng)用面積大于陶瓷基板。


圖4:軟性電路板的基本結(jié)構(gòu),由膠片組成,具有高度可曲撓性,可以用于狹窄空間中。

圖5:軟性電路板已廣為運(yùn)用在LED基板上,其柔軟特色,可簡(jiǎn)單組裝在空間狹小的電器內(nèi)。

金屬?gòu)?fù)合技術(shù),學(xué)理上熱傳導(dǎo)率高、導(dǎo)熱性好,工研院曾發(fā)表過(guò)相關(guān)技術(shù),但相關(guān)技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段,良率偏低,目前在市場(chǎng)并沒(méi)有正式生產(chǎn)。

目前市場(chǎng)LED基板選用方式

PCB板屬于低功率LED封裝,而大于1W(瓦)則以MCPCB為主,以?xún)|光電子為例,并沒(méi)有著重在任何基板種類(lèi),而完全是以市場(chǎng)需求和產(chǎn)品特性區(qū)分,用適合的素材匹配出最合宜的商品。相對(duì)于億光這類(lèi)生產(chǎn)多元商品的公司,禾伸堂則把主力放于陶瓷基板產(chǎn)品,一類(lèi)由公司自行設(shè)計(jì)規(guī)格占總體10%,其余占90%則是由下游廠商委托制造。軟板具有可曲撓性,可應(yīng)用于特殊結(jié)構(gòu),且熱導(dǎo)率與MCPCB接近,特別適用在小體積、需折迭類(lèi)型的商品。
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