金屬基板結(jié)構(gòu)對LED散熱性能的影響

秦典成，梁可為，陳愛兵，肖永龍

(樂健科技(珠海)有限公司 廣東省LED封裝散熱基板工程技術(shù)研究中心，廣東 珠海 519180)

1 前 言

目前，隨著世界范圍內(nèi)綠色環(huán)保的生態(tài)理念日益深入人心，發(fā)光二極管(LED)以其綠色環(huán)保、能耗低、響應(yīng)快、性能穩(wěn)定、壽命長等優(yōu)點而受到各國政府的高度重視，成為照明光源的理想選擇[1, 2]，并在汽車燈照明與裝飾領(lǐng)域廣為應(yīng)用[3, 4]。

天使眼是裝配在汽車燈外的光圈，主要用作汽車的示寬燈，同時也起到美化和裝飾車燈的作用。因其外形類似天使頭頂?shù)墓猸h(huán)，天使眼便因此而得名。最近，LED式發(fā)光的天使眼映入了人們的眼簾。常見的天使眼使用單個LED燈珠發(fā)光，并利用導(dǎo)光圈導(dǎo)光，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由LED模組(燈珠+散熱基板)、導(dǎo)光圈和散熱器組成。因LED對溫度較為敏感，當(dāng)其結(jié)溫過高時，LED會發(fā)生波長紅移、壽命變短、可靠性變差、光效降低等不良后果[5-7]。因此，如何解決好LED的散熱問題也就成了開發(fā)LED光源過程中不容忽視的問題。

圖1 天使眼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural schematics of angel eye automobile headlight

研究表明[8, 9]，通過科學(xué)地設(shè)計燈具結(jié)構(gòu)、合理地選擇導(dǎo)熱連接材料及配備外部熱沉等方式可較好地解決LED車燈的散熱問題。而散熱基板作為車燈重要的散熱通道，對全面提升LED的綜合性能發(fā)揮著不可忽視的作用。目前，市面上使用較為普遍的散熱基板有普通金屬基板和陶瓷基板兩種。其中普通金屬基板因結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低廉、導(dǎo)熱率較高等特點而一度成為散熱基板的首選材料[10, 11]。但金屬基板因絕緣層導(dǎo)熱率偏低而成為限制金屬基板整體導(dǎo)熱率提升的技術(shù)瓶頸，無法滿足較大功率LED車燈的散熱需求[12, 13]。陶瓷基板雖然導(dǎo)熱率較高，但因其對設(shè)備的要求較高、環(huán)境污染較大，且表面金屬化技術(shù)難度及成本較高而使其應(yīng)用受限[6, 14]。鑒于此，本文從實際應(yīng)用出發(fā)，針對天使眼LED燈具的散熱需求提出了4種散熱管理方案，并對其中的熱電分離式散熱管理方案著重進行了研究與闡述，以期在解決好大功率LED散熱問題的同時，為其實際照明工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

2 天使眼散熱方案設(shè)計

金屬基板(metal core printed circuit board, MCPCB)是當(dāng)前使用最為廣泛的散熱基板，主要由金屬基座、導(dǎo)熱絕緣層、線路層組成，其結(jié)構(gòu)如圖2a所示[12]。熱電分離式金屬基板也屬于MCPCB，但與普通MCPCB不同的是，它采用蝕刻或其它工藝方法在金屬基座上形成散熱凸臺，并使其直接貫穿事先加工有鑼空位的FR4材料(由銅箔、絕緣層和玻璃纖維布等增強材料組成)，以此作為LED的安放點，從而達到高效散熱的目的，結(jié)構(gòu)如圖2b所示。其中，F(xiàn)R4材料的絕緣層由半固化片和玻璃纖維布等增強材料組成，而線路層則是在圖形轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)之上，利用化學(xué)試劑蝕刻FR4材料的銅箔所獲得。因FR4材料較普通MCPCB的線路層及絕緣層更為廉價，熱電分離式基板又是通過較為成熟的壓合工藝將帶有凸臺的銅基座和FR4材料復(fù)合，所以理論上而言，熱電分離式MCPCB不僅導(dǎo)熱率大大高于普通MCPCB，且還具備制造簡單、成本低廉等陶瓷基板無法比擬的優(yōu)勢。

圖2 不同MCPCB結(jié)構(gòu)示意圖：(a)普通，(b) 熱電分離式Fig.2 Structural schematics of different MCPCB：(a)regular MCPCB；(b)thermoelectric separation MCPCB

天使眼的4種散熱方案見圖3，其中圖3a是0.4 mm厚熱電分離式MCPCB的焊接方案，記為A；圖3b是0.3 mm厚普通MCPCB焊接方案，記為B；圖3c是1.0 mm厚普通MCPCB鉚接方案，記為C；圖3d是0.3 mm普通MCPCB鉚接方案，記為D。上述4種方案中，LED燈珠型號為Luxeon C、功率為3 W、驅(qū)動電壓為12 V。各基板線路層厚度均為35 μm。普通MCPCB導(dǎo)熱絕緣層為同一種材料，導(dǎo)熱系數(shù)為4 W/(m·K)，厚度為50 μm。熱電分離式MCPCB絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)為0.22 W/(m·K)，厚度為50 μm。

3 實 驗

3.1 實驗原料及儀器設(shè)備

原材料：0.4 mm厚熱電分離式MCPCB、0.3 mm厚普通MCPCB、1.0 mm厚普通MCPCB、LED(型號為LUMILEDS LUXEON C，基本參數(shù)如表1所示)、錫膏、鉚釘。

儀器設(shè)備：力茲LEDT-300B結(jié)溫測試儀、Omega T型熱電偶、小型SMT焊接機、鉚合機。

圖3 天使眼散熱方案：(a)0.4 mm厚熱電分離式MCPCB焊接方案，(b)0.3 mm厚普通MCPCB焊接方案，(c)1.0 mm厚普通MCPCB鉚接方案，(d)0.3 mm厚普通MCPCB鉚接方案Fig.3 Heat dissipation solutions for angel eye automobile headlight：(a)0.4 mm thermoelectric separation SMT welded MCPCB solution，(b)0.3 mm regular SMT welded MCPCB solution，(c)1.0 mm regular riveted MCPCB solution，(d)0.3 mm regular riveted MCPCB solution

ParametersPower/WForwardvoltage/VCRI (colorrendering index)Forwardcurrent/mAFlux/lmWavelength/nmValues3370～9035093～116480～634

3.2 實驗過程

利用小型SMT焊接機及錫膏分別將0.4 mm厚熱電分離式MCPCB和0.3 mm厚普通MCPCB與LED組裝成LED模組，并記為A和B 。利用鉚合機及鉚釘分別將1.0和0.3 mm厚普通MCPCB與LED組裝成LED模組，并分記為C和D。參照EIA/JESD51-1及GBT 24824-2009標(biāo)準(zhǔn)，分別設(shè)置環(huán)境溫度為(25±1)及(90±3) ℃、濕度為35%～65%、恒流為0.5 A，利用電壓法借助結(jié)溫測試儀對LED結(jié)溫(Tj)進行測試。同時，利用結(jié)溫測試儀自帶的精度為0.75%的Omega T型熱電偶測量MCPCB底部溫度(Tb)，如圖4所示。最后利用Tj-Tb評估各方案散熱性能的優(yōu)劣。

圖4 天使眼LED燈MCPCB底部溫度測試：MCPCB鉚接方案(a)和MCPCB焊接方案(b)測溫點Fig.4 Bottom side temperature test of MCPCB applied in angel eye automobile headlight：temperature measurement point of rivet-bonding MCPCB (a) and weld-bonding MCPCB (b)

4 結(jié)果與討論

圖5a和圖5b分別是當(dāng)環(huán)境溫度分別為(25±1)及(90±3) ℃時，4種散熱方案下LED結(jié)溫(Tj)及對應(yīng)MCPCB底部溫度(Tb)曲線。表2和表3分別為4種散熱方案下，對應(yīng)的LED結(jié)溫及MCPCB底部溫度信息。

圖5 不同環(huán)境溫度下4種散熱方案的天使眼LED結(jié)溫及對應(yīng)的MCPCB底部溫度：(a)(25±1) ℃，(b)(90±3) ℃Fig.5 Angel eye LEDs’ junction temperature and corresponding bottom side temperature of MCPCB under different ambient temperatures employing four types of heat dissipation solution：(a)(25±1) ℃，(b)(90±3) ℃

表2 環(huán)境溫度為(25±1) ℃時4種散熱方案下的LED結(jié)溫及對應(yīng)的MCPCB底部溫度

表3 環(huán)境溫度為(90±3) ℃時4種散熱方案下的LED結(jié)溫及對應(yīng)的MCPCB底部溫度

從表2和表3可知，當(dāng)環(huán)境溫度為(25±1) ℃時，A-0.4 mm厚熱電分離式MCPCB焊接方案、B-0.3 mm厚普通MCPCB焊接方案、C-1.0 mm厚普通MCPCB鉚接方案和D-0.3 mm厚普通MCPCB鉚接方案所對應(yīng)的Tj-Tb分別為17.71，36.46，37.28及44.7 ℃，對應(yīng)的LED結(jié)溫分別是78.35，95.41，103.03及109.49 ℃，均在最高允許溫度135 ℃以內(nèi)；當(dāng)環(huán)境溫度為(90±3)℃時，上述4種散熱方案所對應(yīng)的Tj-Tb分別為16.61，37.04，42.5及46.29 ℃，對應(yīng)的LED結(jié)溫分別是117.92，145.2，145.71及150.7 ℃，除熱電分離式MCPCB焊接方案，其余3種方案的LED燈珠結(jié)溫均已超出最高允許溫度135 ℃。一般來說，Tj-Tb越小，說明從PN結(jié)到基板底部的溫度梯度越小，熱量分布更為均勻。而結(jié)溫越低，說明基板散熱速度越快。上述兩種現(xiàn)象都是散熱基板導(dǎo)熱性能優(yōu)異的表現(xiàn)。綜上，在同等條件下，焊接方案的散熱效果明顯好于鉚接方案，而熱電分離式MCPCB能賦予天使眼LED更好的散熱效果。

一般地，焊接方案因使用錫膏將LED模組焊接在散熱器上，錫膏的存在填補了界面間隙，極大地降低了界面熱阻。而鉚接方案直接利用鉚釘將LED模組鉚合在散熱器上，界面上存在著大量的空氣，使得界面熱阻較焊接方案要大得多，熱量傳播較為緩慢，熱量在LED的PN結(jié)附近聚集，導(dǎo)致LED結(jié)溫升高，進而對LED的綜合性能造成不良影響。而在使用普通MCPCB焊接方案時，因普通MCPCB的導(dǎo)熱絕緣層導(dǎo)熱率較線路層及金屬基座低得多，熱量由LED燈珠經(jīng)焊接層傳導(dǎo)至線路層，再由線路層經(jīng)絕緣層傳導(dǎo)至金屬基座，最后由金屬基座傳導(dǎo)至其它散熱通道。在此過程中，絕緣層便成為了散熱的瓶頸，使得LED的整體散熱效果不良，最終導(dǎo)致LED的結(jié)溫偏高。

與普通MCPCB相比，熱電分離式MCPCB的散熱凸臺直接貫穿絕緣層和線路層成為LED燈珠的安放點。在合金內(nèi)部，熱傳導(dǎo)主要由聲子的擴散和電子的運動來實現(xiàn)，而在聚合物所構(gòu)成的絕緣層內(nèi)部，熱傳導(dǎo)則主要由聲子的擴散來完成[15, 16]。因此，當(dāng)LED工作時所產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至散熱凸臺時，因凸臺內(nèi)部的電子無法穿越凸臺-絕緣層界面，而聲子在穿越此界面的時候會因界面缺陷和雜質(zhì)而發(fā)生散射，大量聲子無法穿越界面，從而在凸臺-絕緣層界面處產(chǎn)生一個較大的界面熱阻[17, 18]。因界面熱阻的存在，僅有小部分熱量會沿著基板水平方向傳導(dǎo)，而剩余的大部分熱量會直接沿著凸臺(基板)厚度方向傳導(dǎo)。因凸臺由金屬制成，為聲子和電子的擴散提供了高效的傳播途徑，LED工作時所產(chǎn)生的熱量便可快速地向下級散熱通道擴散，從而有效地緩解了LED的PN結(jié)處的熱量聚集，大大降低了LED的結(jié)溫，獲得了良好的散熱效果。

5 結(jié) 論

本文針對普通MCPCB導(dǎo)熱率較低，而陶瓷基板雖導(dǎo)熱率較大，但同時因成本高、技術(shù)難度大等缺點而無法滿足大功率LED車燈散熱需求的現(xiàn)狀，借鑒熱電分離式理念開發(fā)出一種新型的高導(dǎo)熱MCPCB，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了包含熱電分離式MCPCB焊接散熱方案、普通MCPCB焊接散熱方案及普通MCPCB鉚接散熱方案在內(nèi)的4種散熱管理方案。通過研究發(fā)現(xiàn)，普通MCPCB的焊接方案較之鉚接方案有著一定的散熱優(yōu)勢，可實現(xiàn)LED結(jié)溫的小幅度下降。而熱電分離式MCPCB焊接散熱方案因使用散熱凸臺作為散熱的主體部分直接參與熱傳導(dǎo)，對比普通MCPCB的焊接方案具有巨大的優(yōu)勢，能大幅降低LED的結(jié)溫，并有望賦予天使眼LED燈具更加優(yōu)異的綜合性能，是未來功率型LED散熱基板材料的理想選擇之一。