LED应用产品的散热问题

LED应用产品的散热问题

大家先了解一下LED散热的关键产品金属基板
        
1．金属PCB基板的发展和市场状况     随着电子产品向轻、薄、小、高密度、多功能化发展，印制板上元件组装密度和集成度越来越高，功率消耗越来越大，对PCB基板的散热性要求越来越迫切，如果基板的散热性不好，就会导致印制电路板上元器件过热，从而使整机可靠性下降。在此背景下诞生了高散热金属铝基PCB基板。
    金属PCB基板中应用最广的属铝基覆铜板，该产品是1969年由日本三洋国策发明的，1974年开始应用于STK系列功率放大混合集成电路。80年代初我国金属基覆铜板主要应用于军工产品，当时金属PCB基板材料完全依赖进口，价格昂贵。80年代中后期，随着铝基覆铜板在汽车、摩托车电子产品中的广泛使用及用量的扩大，推动了我国金属PCB基板研究及制造技术的发展及其在电子、电信、电力等诸多领域的广泛应用。
        国外有代表性金属基板生产厂家有日本住友、日本松下电工、DENKA HITY PLATE公司、美国贝格斯公司等。日本住友金属PCB基板有三大系列(即铝基覆铜板、铁基覆铜板、硅钢覆铜板)。铝基覆铜板、铁基覆铜板、硅钢覆铜板商品牌号分别为ALC-1401和ALC-1370、ALC-5950和ALC-3370及ALC-2420。国内最早研制金属基覆铜板的生产厂家是国营第704厂、90年代后期国内有许多单位也相继研制和生产铝基覆铜板。704厂的金属基板有三大系列，即铝基覆铜板、铜基覆铜板、铁基覆铜板。704厂的铝基覆铜板按其特性差异分为通用型和高散热型及高频电路用三种型号，其商业牌号分别为MAF-01、MAF-02、MAF-03，铜基板和铁基板商品牌号分别为LSC-043F和MSF-034。据估测，全球金属基PCB产值约20亿美元，日本1991年金属基PCB的产值为25亿日元，1996年为60亿日元，2001年增长到80亿日元，约以每年13％的速度递增。
        目前，我国金属PCB基板的市场正在逐年扩大，国外许多电子装配商亦纷纷在国内投资建厂，仅珠江三角洲地区铝基覆铜板需求量大约每月为近千平方米，国内每月需求量约为2000-3000m2，其市场前景十分看好。
再找出解决散热问题方法
      ■解决封装的散热问题才是根本方法
       由于增加电力反而会造成封装的热阻抗急遽降至10K/W以下，因此国外业者曾经开发耐高温白光LED试图通过此种方法改善上述问题，然而实际上大功率LED的发热量却比小功率LED高数十倍以上，而且温度升高还会使发光效率大幅下跌，即使封装技术允许高热量，不过LED芯片的接合温度却有可能超过容许值，最后业者终于领悟到解决封装的散热问题才是根本方法。
        有关LED的使用寿命，例如改用硅质封装材料与陶瓷封装材料，能使LED的使用寿命提高一位数，尤其是白光LED的发光频谱含有波长低于450nm短波长光线，传统环氧树脂封装材料极易被短波长光线破坏，高功率白光LED的大光量更加速封装材料的劣化，根据业者测试结果显示连续点灯不到一万小时，高功率白光LED的亮度已经降低一半以上，根本无法满足照明光源长寿命的基本要求。
        有关LED的发光效率，改善芯片结构与封装结构，都可以达到与低功率白光LED相同水平，主要原因是电流密度提高2倍以上时，不但不容易从大型芯片取出光线，结果反而会造成发光效率不如低功率白光LED的窘境，如果改善芯片的电极构造，理论上就可以解决上述取光问题。
        ■设法减少热阻抗、改善散热问题
       有关发光特性均匀性，一般认为只要改善白光LED的荧光体材料浓度均匀性与荧光体的制作技术，应该可以克服上述困扰。如上所述提高施加电力的同时，必需设法减少热阻抗、改善散热问题，具体内容分别是：降低芯片到封装的热阻抗、抑制封装至印刷电路基板的热阻抗、提高芯片的散热顺畅性。
        为了要降低热阻抗，许多国外LED厂商将LED芯片设在铜与陶瓷材料制成的散热器（heat sink）表面，接着再用焊接方式将印刷电路板上散热用导线，连接到利用冷却风扇强制空冷的散热器上，根据德国OSRAM Opto Semiconductors Gmb实验结果证实，上述结构的LED芯片到焊接点的热阻抗可以降低9K/W，大约是传统LED的1/6左右，封装后的LED施加2W的电力时，LED芯片的接合温度比焊接点高18K，即使印刷电路板温度上升到500C，接合温度顶多只有700C左右；相较之下以往热阻抗一旦降低的话，LED芯片的接合温度就会受到印刷电路板温度的影响，如此一来必须设法降低LED芯片的温度，换句话说降低LED芯片到焊接点的热阻抗，可以有效减轻LED芯片降温作业的负担。反过来说即使白光LED具备抑制热阻抗的结构，如果热量无法从封装传导到印刷电路板的话，LED温度上升的结果发光效率会急遽下跌，因此松下电工开发印刷电路板与封装一体化技术，该公司将1mm正方的蓝光LED以flip chip方式封装在陶瓷基板上，接着再将陶瓷基板粘贴在铜质印刷电路板表面，根据松下表示包含印刷电路板在内模块整体的热阻抗大约是15K/W左右。