LED散热：Board level 散热技术

    最近TV、LCD、Cell-Phone、PC (Notebook)等便携用以及生活用家电等电子产品的高性能化、小型化、集成化、Module化等进展急速。高性能化需在电子产品中内置能耗多的LED，而相反小型化与集成化给实现产品化带来了尺寸方面的制约。

    市场倾向于要求提高功率，因此对可容纳的LED封装的设计Maigin急剧减少。同时 Module化的热问题已经不再单纯是LED产品一个的问题，而是整体System的问题。

    将LED封装内部Chip发生的热量进行有效管理，已不是产品电学/光学特性问题，而是成为了影响产品的寿命、信赖性、制造成本等的要素。尤其拿LED应用产品来说，拥有随着使用温度、drive current所带来的功率对热与光的消耗比例不同的特性。

    因此如果不能很好的控制功率所发生的热，就会使同样规格的产品产生不同的光效率，直接引发产品的竞争力问题。功耗高的同时具有良好散热结构的产品是市场所需的最具竞争力的LED应用产品。

    本专栏中将对各组成要素散热技术中的Board level散热技术进行解析。

    Metal PCB 的概念与组成

    目前电路上主要使用的印刷电路板 (Printed Circuit Board)是用玻璃纤维与环氧的复合材料制成的具有绝缘层的FR-4板。

    FR-4板热传导度约为0.3 W/m-K左右非常低，而产生较多热量的高输出电路使用着热传导良好、拥有绝缘层以及金属Base的Metal PCB板。LED领域照明的输出越高，Metal PCB板的使用就越普及。Metal PCB板又称MCPCB(Metal-Core Printed Circuit Board)、MPCB等。

    Schematics of Metal PCB

    以下图片是除LED以外主要使用Metal PCB的应用领域。主要用于功率变换装置、发动机等的电路板。

    Various Applications of Metal PCB (Source: Bergquist)

    LED的发热量与现有其他电半导体相比虽然低，但由于使用对热量相对弱的光学材料，因此为了降低LED Junction Temperature须使用Metal PCB等高散热印刷电路板。

Cross-Section of Typical Metal PCB

    下列图片是2 W/m-K级拥有热传导度绝缘层的Metal PCB剖面图。

    Cross-Section of Typical Metal PCB

    Metal PCB的绝缘层是为克服现有做环氧时基础绝缘层热传导度低的问题，主要使用拥有高热传导度的高分子矩阵 (Matrix)绝缘物质陶瓷粉末作为Filler制造成的复合材料。

    陶瓷粉末中目前氧化铝 (Al2O3)粉末使用最多，虽然特性稍差但价格非常低廉。

    氧化铝用作Filler的情况来说，目前最常见的一般Metal PCB约采用1~2 W/m-K左右热传导的绝缘层。厚度约为75um的最普遍，而需要相对高的内电压特性时增加厚度的情况也存在。

    金属Pattern层是将Cu foil进行Lamination制造而成，因此一般拥有1~2 Oz水平的厚度，而 Soldering时为提高Wetting特性，有时也制成镀金层。

    同时, 为防止Solder扩散而形成了PSR(Photo Solder Resist)。此时使用的PSR是在LED上为提高光输出，替代使用目前用于电路板上的绿色，使用发射度良好的白色系列PSR。

    下列图表是对目前常用的Metal PCB的各种特性按企业别进行了比较。

    Typical data of Metal PCB (Source: CoreSEM)

FR-4 PCBs for LED

    Metal PCB特性与目前FR-4 PCB相比具有优秀的散热特性，但由于价格负担大，因此不需要高散热时，提高FR-4 PCB的散热特性使用Board的情况较多。

    同时，主要形成Thermal Via之后，从基板的下方放出热量或者利用Copper的高散热特性，制成快速散热的形态。

    Thermal Via来说分为，先形成Via然后重新用Metal进行填充的Filled Via形态与仅在Via墙壁上镀金形成Metal层的Through Hole type。

    Flexible高散热 PCB

    一般的Metal PCB是单一金属pattern层的单层PCB且为不可弯曲的Rigid PCB。 因此在弯曲面贴付形成LED电路时，须用Flexible基板替代使用Rigid基板。

    Flexible PCB主要采用了Polyimid板的基板，而低热传导仍是其问题所在。因此为拥有既是热传导度高的绝缘层，又是高弹性(Flexibility)的LED，需要高散热基板。

    以下图片是Metal PCB板与Flexible PCB板的剖面结构图。

    为具有弹性替代使用Al Base， 将Cu foil贴付在两侧，让其同时起到Base与Pattern层的作用，这样绝缘层的热传导度非常高，因此提高陶瓷粉末含量，就会引起弹性降低或者Crack等粘着力降低等诸多问题，而目前Filler含量低，因此只生产与Rigid Metal PCB相比热传导度低的产品。

    Structure of Flexible Metal PCB (Source: Denka)

高散热 Metal PCB的开发方向

    目前多方向开发着与现有Metal PCB相比热传导度更加优秀的高散热Metal PCB。

    为提高Metal PCB的散热特性可以两种方式接近。一种是增加Metal Base的热传导度，另一种是增加绝缘层的热传导度。

    下列图片是通过热解析结果，说明了提高Metal PCB的Metal Base热传导度时Junction温度减少的幅度。目前与Al5051这样的铝合金主要被用作Metal Base，而可以确信的是即使使用热传导度高的金属或者复合材料，对Junction Temperature起到的影响也不过是1 ℃ 以下水平。