LED散热材料分析

《LED散热材料分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、LED散热材料分析夏俊峰2011.03.15前言LED进入高亮度、大功率以来，LED的热量问题已经被大家所认识。无论是上游的芯片制造，中游的封装，还是下游的应用，都在研究散热问题。一些过去不为LED行业人士所熟悉的材料逐渐被引入到LED行业来。有些材料被生产厂商宣传的过分理想，给LED行业人士带来一些不正确的认识。本文的目的就是简单地对一些材料做些分析，让大家有个明确的认识，避免不正确地应用。一、针对LED散热引入的新材料本文主要是分析“新”提出来改善散热的材料，有关芯片制造采用的衬底材料，需要更

2、专业的人员去研究，本文就不涉及了。这里主要讲讲封装和应用方面的“新”材料。这里对“新”字加了引号，是说明这些材料其实并不一定是新研究出来的，很多是早已有之，只不过是新被LED行业引入应用的。所谓隔行如隔山，对于LED行业的人来说，绝大多数人没有听说或接触过，所有就可以把它们当做新材料了。至今，已经被提出改善LED散热的“新”材料，主要有：封装方面：硅底座、陶瓷底座等。应用方面：陶瓷散热器、导热塑料散热器、石墨类散热材料等。二、封装方面的“新”散热材料分析最早封装大功率LED时，芯片是固定于铜质底座

3、上的。这种方式，芯片的产生的热量能够很快传导到与之连接的散热器上。即使现在来看，这也是最好的一种封装导热方法。但是早期的封装，没有从应用方面很好地考虑，没有解决LED与散热器的连接问题，见图1。因此，使用时必须借助一块铝基板。由此，铝基板开始在LED行业大行其道。正是由于这种封装的LED的应用方面的问题，不久出现了将芯片直接固定于铝基板上的封图1装。解决了LED与散热器的连接问题。不过这种封装没有流行起来。但是，这种封装形式实际上就是现在的所谓COB封装的雏形。COB封装若采用了铜基材，本质上就是

4、回归到了图1、并改善了安装的状况。这种封装对具有上下电极的芯片来说，有一个问题，就是底座带电。这在应用上对电、热的处理带来了麻烦。随之而来的就是陶瓷底座。陶瓷具有高的绝缘性和低的热膨胀系数。图2某些陶瓷材料具有较高的导热系数，因此正好可以用来解决上面的热、电分离问题。本人认为，这本来是个不得以而为止的事情，可是有些人不能正确认识，而将陶瓷的作版权所有转载请注明出处用夸大了。与陶瓷底座差不多同期出现的还有硅底座。硅材料也具有较高的导热系数和较低的热膨胀系数。较纯的硅也具有很高的电阻率，可以起绝缘的作

5、用。通过在硅中掺杂，降低其电阻率，可用作芯片的衬底。首先，我们来看看陶瓷材料。LED要应用的陶瓷材料，必须要有较高的导热率。目前来看，具有较高导热率的陶瓷材料主要有氧化铝、氮化铝、氧化铍等。氧化铍具有一定的毒性，价格高，所有不适用。氮化铝的导热系数虽然理论上很高，但目前实际产品的导热系数最高一般是150～200W/(m℃)，这个数值也就和合金铝导热系数相当。而且氮化铝的价格非常高，对于LED来讲，也是不实用的。氧化铝的导热系数根据组分的不同，95瓷的导热系数是21.8W/(m℃)，99瓷的导热系数

6、是36W/(m℃)。这样的数值和合金铝相比，实在是太低了，更无法和铜相比。但是为了使LED做到热、电分离，必须采用陶瓷的话，从性能和价格比来看，也只能选氧化铝陶瓷。如此以来，和铜底座相比，势必大大牺牲了导热性能。所有，用陶瓷做芯片的封装底座，其芯片散热能力必定远不如铜底座。关于这一点，读者做个简单的测试就会非常明了。图3是CREE的用陶瓷材料做为芯片底座的封装。该产品是较大芯片的产品（芯片边长大于40mil）。将该产品与图1封装的40mil产品做比较，在同样的350mA下工作，接同样的铝基板和散热

7、器，结果陶瓷封装的LED芯片温度比铜底座封装的LED芯片温度要高30度以上。本来芯片面积大，热流密度低，温度应该低才是，可是却相差悬殊。可见陶瓷相对铜的导热能力之差！图3.CREE的瓷底座封装乱用陶瓷替代铜是一个极大的失误！其次，我们来看看硅材料。LED封装应用的硅底座，其导热系数是153W/(m℃)。这个数值和合金铝相当，但也不到铜的50％。所有，封装底座采用硅材料，和铜底座相比，也是大大牺牲了导热能力。这方面我们做过简单测试，因为结果很不好，当时不屑此类产品，故没有保留测试数据。不过至今，本人

8、还是不看好用硅材料做为芯片的封装底座。同陶瓷材料一样，乱用硅材料替代铜也是一个极大的失误！从上面的分析可见，如果不是为了对上下电极的LED芯片做到热、电分离，完全没有必要使用陶瓷材料和硅材料。另外，陶瓷和硅的脆性大，受到较强的震动和压力，容易碎裂。因此，采用陶瓷和硅封装的LED，抗震性能相对较差。可以看到，有些厂商用陶瓷材料代替铝基板，见图3，不仅用较大块的瓷片作为芯片封装的底座，而且还用之作为外部的连接用的电路板。这样更加增加了不抗震性。陶瓷片越大，震动越容易碎。就好像玻璃一样，