分析金属基板在车灯大功率LED导热原理研究进展

摘要：文章简要介绍大功率LED导热原理，着重分析金属基板导热的研究进展，综述金属基板导热在大功率LED导热领域的应用现状，展望大功率LED导热的未来。

关键词：导热；大功率LED；金属基板

1、前言

在21世纪全球经济快速发展的大背景下，人类对于高质量生活的要求也在大幅提升，这具有深远的现实意义与战略意义,LED作为一种节能环保的照明，被人们所广范使用的LED、集成技术、微封装技术等方面都不断取得进展。

LED正朝着小型化、大功率的方向迈进，这一趋势使得有限的体积内会产生较多热量，如果散热不当，过多聚集的热量会使大功率LED运行温度提高，影响大功率LED正常运行，严重者可导致大功率LED故障。

大功率LED的温度每升8°C可靠性降低10%；温度升高80°C时的寿命仅为温度升高50°C时的1/6。由此可见，温度对大功率LED可靠性的影响最为显着，必须从技术上采取措施对大功率LED进行温度控制。

超高导热铝基板，热电分离铜基板，热电分离铝基板为大功率LED首件导热承载体，光学支撑与电气性能连接体，这对改善大功率LED输出光通量，延长寿命有着重要的意义。

2、导热散热过程

LED热量传导过程：大功率LED → 锡膏 → 金属基板 → 导热硅子 → 散热器  → 风扇，完成一个导热散热过程。

图1 导热散热过程图

3、导热金属基板在大功率LED应用

1. 超高导热铝、铜基板

超高导热铝和铜基板通过超高导热绝缘层将LED的热量传导给铝或者铜基板，导热系数为:2-12W·mk，由于超高导热绝缘层采用树脂加氮化铝或者氧化铝或者氮化硼等填料协同复合而成，举例如下：式中氮化硼的导热系数为:200W/mk，但是氮化硼添加量不能超过40%，添加量超过40%时过高温会出现基板分层不良，使得超高导热铝、铜基板导热只有2-12W/mk，只能应用到中功率LED中做导热第一承载体使用。

图2 铝、铜基板结构图
 

2.热电分离铝基板

热电分离铝基板导热系数达到:200 W/mk,属于金属直接导热，热电分离铝基板制作是使用线路板蚀刻+层积叠压方式完成，线路层仍然能够保持电绝缘性并可应用于大功率LED作为导热的第一承载体。

图3 热电分离铝基板结构图
 

3.热电分离铜基板

热电分离铝基板导热系数达到:200 W/mk,属于金属直接导热，热电分离铝基板制作是使用线路板蚀刻+层积叠压方式完成，线路层仍然能够保持电绝缘性并可应用于大功率LED作为导热的第一承载体。

图4 热电分离铜基板结构图
 

4.热电分离铝基板和热电分离铜基板性能对比

为什么有热电分离铝基板也有热电分离铜基板？在实际应用中仍存在着性能差异，见表1.铜比铝导热系数大一倍，导热系数越大，导热速度就越大，能迅速输出大功率热量，铜基的硬度较坚硬,SMT温度较高时不容易发生形变，形变后会影响基板和散热器的粘贴，铜基的比热容要比铝基大，即铜基的热存储量要比铝基大，金属基板作为LED的第一承载体首先向金属基板传导热量，然后经金属基板传导至导热硅子，导热硅子导热系数是3 W/mk ，其热传递速度慢，就需要金属基板有热存储能力，热存储越多LED的结温越低，所以一些大功率LED还是需要使用铜基板。

5.金属基板光学的支撑体

许多研究人员认为:LED作为面光源需要经过光学透镜把LED光汇聚并输出，从而构成我们所需照明光源，金属基板作为光学透镜的第一个支撑点，要求LED中心与光学透镜中心的公差为:+/-0.05-0.1mm.超过这个偏差将影响光通量的输出，因此金属基板钻孔的精度也很重要。

图5 铝基板光学透镜支撑孔

图6 热电分离铜基板光学透镜支撑孔
 

4、结束语

在全球经济与科学技术迅猛发展的今天,LED领域取得了重大的进步。随着LED功率的不断提高，散热问题已成为制约其应用的一个重要因素。金属基板作为LED导热及光学支撑，电气性能的第一承载体发挥着特别关键的功能。为保障大功率LED运行稳定性、延长其使用寿命，开发系列针对导热、光学和电气性能集中的金属基板，来解决大功率LED导热和光学、电报性能集中问题。