4種功率型 LED 封裝基板對(duì)比分析
文章來源:恒光電器
發(fā)布時(shí)間:2015-10-13
瀏覽次數(shù):次
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，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)樹脂為原料,，通過添加改性填料來增強(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%左右的不飽和樹脂、40%左右的玻璃纖維,、無機(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，戶外照明,，固化成型時(shí)硬度過高,，ROSH認(rèn)證，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1000萬元左右，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，商業(yè)照明,，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)性無機(jī)填充物(比如陶瓷粉末)的改性環(huán)氧樹脂或環(huán)氧玻璃布黏結(jié)片,，通過熱壓把銅箔、絕緣體以及鋁板黏結(jié)起來,。目前國(guó)際上已經(jīng)開發(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發(fā)出一種類鉆碳材料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,，LED射燈，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,，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，LED硅基板封裝仍有許多技術(shù)問題,。例如,，材料方面，硅材容易碎裂,，且機(jī)構(gòu)強(qiáng)度也有問題。結(jié)構(gòu)方面,，廠房照明,，恒光電器，口碑,，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,，其金屬層需采用濺鍍結(jié)合電鍍的方式制備，LED-T5一體化燈管,，導(dǎo)電孔需采用腐蝕的方法進(jìn)行,。總體看來,，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)開發(fā)出LED硅基板并量產(chǎn)，但良品率不超過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,，沒有突出的優(yōu)點(diǎn)，超市照明,，而且價(jià)格昂貴,，家用照明，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年代開始得到廣泛地研究而逐步發(fā)展起來，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。
現(xiàn)階段應(yīng)用于LED封裝的陶瓷基板按制備技術(shù)可分為HTCC、LTCC,、DBC,、DPC4種。HTCC又稱高溫共燒多層陶瓷,，其主要材料為熔點(diǎn)較高但導(dǎo)電性較差的鎢,、鉬、錳等金屬,，制作成本高昂,，現(xiàn)在較少采用。LTCC又稱為低溫共燒多層陶瓷基板,，其熱傳導(dǎo)率為2W/(m·K)～3W/(m·K)左右,，與現(xiàn)有鋁基板相比并沒有太大優(yōu)勢(shì)。此外,，LTCC由于采用厚膜印刷技術(shù)完成線路制作,，線路表面較為粗糙，對(duì)位不精準(zhǔn),。而且,，多層陶瓷疊壓燒結(jié)工藝還有收縮比例的問題，這使得其工藝解析度受到限制,，LTCC陶瓷基板的推廣應(yīng)用受到極大挑戰(zhàn)。
基于板上封裝技術(shù)而發(fā)展起來的直接覆銅陶瓷板(DBC)也是一種導(dǎo)熱性能優(yōu)良的陶瓷基板,。DBC基板在制備過程中沒有使用黏結(jié)劑,，因而導(dǎo)熱性能好，強(qiáng)度高,，絕緣性強(qiáng),，熱膨脹系數(shù)與Si等半導(dǎo)體材料相匹配。然而,，陶瓷基板與金屬材料的反應(yīng)能力低,，潤(rùn)濕性差，實(shí)施金屬化頗為困難,，不易解決Al2O3與銅板間微氣孔產(chǎn)生的問題,，商業(yè)照明燈具，這使得該產(chǎn)品的量產(chǎn)與良品率受到較大的挑戰(zhàn),，仍然是國(guó)內(nèi)外科研工作者研究的重點(diǎn),。
DPC陶瓷基板又稱直接鍍銅陶瓷板，DPC產(chǎn)品具備線路精準(zhǔn)度高與表面平整度高的特性,，非常適用于LED覆晶/共晶工藝,，國(guó)內(nèi)資訊，配合高導(dǎo)熱的陶瓷基體，店鋪照明,，顯著提升了散熱效率,，是最適合高功率、小尺寸LED發(fā)展需求的陶瓷散熱基板,。
[ 資訊搜索 ] [ ] [ ] [ ] [ ]
同類資訊
• LED驅(qū)動(dòng)走向：線性恒流、數(shù)字智能 • LED驅(qū)動(dòng)電源的6種檢測(cè)技術(shù)
• LED驅(qū)動(dòng)方案技術(shù)比對(duì)分析 • ZigBee技術(shù)被曝存安全漏洞
• LED照明燈具的一般安全要求 • 燈具的耐壓及應(yīng)對(duì)措施
• 電源廠家如何生產(chǎn)出合格的戶外照明燈具驅(qū)動(dòng)電源 • LED自調(diào)光照明系統(tǒng)原理剖析
• LED燈具驅(qū)動(dòng)電源頻出問題原因分析及應(yīng)對(duì)辦法 • 傻傻分不清的LED驅(qū)動(dòng),、LED電源,、變壓器、鎮(zhèn)流器
共0條 [查看全部] 相關(guān)評(píng)論
展會(huì)更多+