4種功率型LED封裝基板對(duì)比分析 哪種是LED照明最佳選擇,？

文章來(lái)源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2015-12-15

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功率型LED封裝基板作為熱與空氣對(duì)流的載體,，其熱導(dǎo)率對(duì)LED的散熱起著決定性作用,。DPC陶瓷基板以其優(yōu)良的性能和逐漸降低的價(jià)格，在眾多電子封裝材料中顯示出很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力,，是未來(lái)功率型LED封裝發(fā)展的趨勢(shì),。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、新制備工藝的出現(xiàn),，高導(dǎo)熱陶瓷材料作為新型電子封裝基板材料,，裝修照明，設(shè)計(jì),，應(yīng)用前景十分廣闊,。

隨著LED芯片輸入功率的不斷提高，大耗散功率帶來(lái)的大發(fā)熱量給LED封裝材料提出了更新,、更高的要求,。在LED散熱通道中,，封裝基板是連接內(nèi)外散熱通路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，兼有散熱通道,、電路連接和對(duì)芯片進(jìn)行物理支撐的功能,。對(duì)高功率LED產(chǎn)品來(lái)講，其封裝基板要求具有高電絕緣性,、高導(dǎo)熱性,、與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)等特性。

樹(shù)脂基封裝基板：配套成本高普及尚有難度

EMC和SMC對(duì)模壓成型設(shè)備要求高,，一條模壓成型生產(chǎn)線價(jià)格在1000萬(wàn)元左右,，大規(guī)模普及尚有難度。

近幾年興起的貼片式LED支架一般采用高溫改性工程塑膠料,，以PPA(聚鄰苯二甲酰胺)樹(shù)脂為原料,，通過(guò)添加改性填料來(lái)增強(qiáng)PPA原料的某些物理、化學(xué)性質(zhì),，從而使PPA材料更加適合注塑成型及貼片式LED支架的使用,。PPA塑料導(dǎo)熱性能很低，其散熱主要通過(guò)金屬引線框架進(jìn)行,，散熱能力有限,，只適用于小功率LED封裝。

隨著業(yè)界對(duì)LED散熱的重視,，兩種新的熱固性塑膠料——環(huán)氧塑封料（EMC）和片狀模塑料（SMC）被引入貼片式LED支架中,。EMC是以高性能酚醛樹(shù)脂為固化劑、導(dǎo)熱系數(shù)較高的硅微粉等為填料,、多種助劑混配而成的粉狀模塑料,。SMC主要是由30%左右的不飽和樹(shù)脂、40%左右的玻璃纖維,、無(wú)機(jī)填料以及其他添加劑組成,。這兩種熱固性模塑料熱固化溫度在150℃左右，經(jīng)過(guò)改性后導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)4W/(m·K)～7W/(m·K),，與PPA塑膠相比有較大提高,，但缺點(diǎn)是流動(dòng)性與導(dǎo)熱性較難兼顧，固化成型時(shí)硬度過(guò)高,，LED射燈,，容易產(chǎn)生裂紋和毛刺。EMC和SMC固化時(shí)間長(zhǎng),，成型效率相對(duì)較低,，對(duì)模壓成型設(shè)備、模具及其他配套設(shè)備的要求相當(dāng)高，一條模壓成型及配套生產(chǎn)線價(jià)格在1000萬(wàn)元左右,，醫(yī)院led照明,，大規(guī)模普及尚有難度。

金屬芯印刷電路板：制造工藝復(fù)雜實(shí)際應(yīng)用較少

鋁基板的加工制造過(guò)程復(fù)雜,、成本高,，鋁的熱膨脹系數(shù)與芯片材料相差較大，實(shí)際應(yīng)用中較少采用,。

隨著LED封裝向薄型化及低成本化方向發(fā)展,，板上芯片（COB）封裝技術(shù)逐步興起。目前,，COB封裝基板大多使用金屬芯印刷電路板,，高功率LED封裝大多采用此種基板，其價(jià)格介于中,、高價(jià)位間,。

當(dāng)前生產(chǎn)上通用的大功率LED散熱基板，其絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)極低,，而且由于絕緣層的存在,，使得其無(wú)法承受高溫焊接，限制了封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,，不利于LED散熱,。

如何提高環(huán)氧絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)成為現(xiàn)階段鋁基板的研究熱點(diǎn)。目前采用的是一種摻有高熱傳導(dǎo)性無(wú)機(jī)填充物(比如陶瓷粉末)的改性環(huán)氧樹(shù)脂或環(huán)氧玻璃布黏結(jié)片,，通過(guò)熱壓把銅箔,、絕緣體以及鋁板黏結(jié)起來(lái)。目前國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種“全膠鋁基板”,，采用全膠的鋁基板的熱阻可以做到0.05K/W,。此外，我國(guó)臺(tái)灣的一家公司最近開(kāi)發(fā)出一種類(lèi)鉆碳材料DLC,，并將其應(yīng)用于高亮度LED封裝鋁基板的絕緣層,。DLC有許多優(yōu)越的材料特性：高熱傳導(dǎo)率、熱均勻性與高材料強(qiáng)度等,。因此,，以DLC取代傳統(tǒng)金屬基印刷電路板（MCPCB）的環(huán)氧樹(shù)脂絕緣層,，有望極大提高M(jìn)CPCB的熱傳導(dǎo)率,，但其實(shí)際使用效果還有待市場(chǎng)考驗(yàn)。

一種性能更好的鋁基板是直接在鋁板上生成絕緣層,，然后印制電路,。采用這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合力強(qiáng)，而且導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)2.1W/(m·K)。但這種鋁基板的加工制造過(guò)程復(fù)雜,、成本高,，而且，金屬鋁的熱膨脹系數(shù)與芯片材料相差較大,，器件工作時(shí)熱循環(huán)常會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力,，最終可能導(dǎo)致失效，因此在實(shí)際應(yīng)用中較少采用,。

硅基封裝基板：面臨挑戰(zhàn)良品率低于60%

硅基板在絕緣層,、金屬層、導(dǎo)通孔的制備方面都面臨挑戰(zhàn),，良品率不超過(guò)60%,。

以硅基材料作為L(zhǎng)ED封裝基板技術(shù)，近幾年逐漸從半導(dǎo)體業(yè)界引進(jìn)到LED業(yè)界,。硅基板的導(dǎo)熱性能與熱膨脹性能都表明了硅是與LED較匹配的封裝材料,。硅的導(dǎo)熱系數(shù)為140W/m·K，應(yīng)用于LED封裝時(shí),，所造成的熱阻只有0.66K/W,；而且硅基材料已被大量應(yīng)用在半導(dǎo)體制程及相關(guān)封裝領(lǐng)域，LED照明品牌,，所涉及相關(guān)設(shè)備及材料已相當(dāng)成熟,。因此，若將硅制作成LED封裝基板,，容易形成量產(chǎn),。

不過(guò)，LED照明工程,，LED硅基板封裝仍有許多技術(shù)問(wèn)題,。例如，材料方面,，硅材容易碎裂,，且機(jī)構(gòu)強(qiáng)度也有問(wèn)題。結(jié)構(gòu)方面,，硅盡管是優(yōu)良導(dǎo)熱體,，但絕緣性不良，必須做氧化絕緣處理,。此外,，行業(yè)資訊，其金屬層需采用濺鍍結(jié)合電鍍的方式制備,，導(dǎo)電孔需采用腐蝕的方法進(jìn)行,�,？傮w看來(lái)，絕緣層,、金屬層,、導(dǎo)通孔的制備都面臨挑戰(zhàn)，良品率不高,。目前雖有一些臺(tái)灣企業(yè)開(kāi)發(fā)出LED硅基板并量產(chǎn),，但良品率不超過(guò)60%。

陶瓷封裝基板：提升散熱效率滿足高功率LED需求

配合高導(dǎo)熱的陶瓷基體,，DPC顯著提升了散熱效率,，是最適合高功率、小尺寸LED發(fā)展需求的產(chǎn)品,。

陶瓷散熱基板具有新的導(dǎo)熱材料和新的內(nèi)部結(jié)構(gòu),，彌補(bǔ)了鋁金屬基板所具有的缺陷，從而改善基板的整體散熱效果,。目前可用作散熱基板的陶瓷材料中,，BeO雖然導(dǎo)熱系數(shù)高，但其線膨脹系數(shù)與硅（Si）相差很大,，且制造時(shí)有毒,，限制了自身的應(yīng)用；BN具有較好的綜合性能,，但作為基板材料,，沒(méi)有突出的優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格昂貴,，目前只是處于研究和推廣中,；碳化硅（SiC）具有高強(qiáng)度和高熱導(dǎo)率，但其電阻和絕緣耐壓值較低,，金屬化后鍵合不穩(wěn)定,，會(huì)引起熱導(dǎo)率和介電常數(shù)的改變，不宜作為絕緣性封裝基板材料,。Al2O3陶瓷基片雖是目前產(chǎn)量最多,、應(yīng)用最廣的陶瓷基片，但由于其熱膨脹系數(shù)相對(duì)Si單晶偏高,，導(dǎo)致Al2O3陶瓷基片并不太適合在高頻,、大功率、超大規(guī)模集成電路中使用,。A1N晶體具有高熱導(dǎo)率,，被認(rèn)為是新一代半導(dǎo)體基板和封裝的理想材料。

AlN陶瓷材料從20世紀(jì)90年代開(kāi)始得到廣泛地研究而逐步發(fā)展起來(lái),，是目前普遍認(rèn)為很有發(fā)展前景的電子陶瓷封裝材料,。AlN陶瓷基板的散熱效率是Al2O3基板的7倍之多,，AlN基板應(yīng)用于高功率LED的散熱效益顯著,，進(jìn)而大幅提升LED的使用壽命,。AlN基板的缺點(diǎn)是即使表面有非常薄的氧化層也會(huì)對(duì)熱導(dǎo)率產(chǎn)生較大影響，只有對(duì)材料和工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制才能制造出一致性較好的AlN基板,。目前大規(guī)模生產(chǎn)AlN還不成熟,，相較于目前應(yīng)用普遍的Al2O3基板，AlN基板的成本約為Al2O3基板的3～5倍,。但未來(lái)若能量產(chǎn),，AlN基板的成本可快速下降，屆時(shí)散熱效益強(qiáng)大的AlN基板將有機(jī)會(huì)取代Al2O3基板,。