用厚膜技術最佳化大功率LED

隨著對LED(發光二極體)燈具的需求持續增長,新型散熱技術使製造商能生產光輸出更大和壽命更長的發光二極體LED。 LED提供許多優勢,包括耗電低,使用壽命長(燈泡可使用長達40000小時或更長時間)並環保(不含水銀)。隨著新製造技術降低LED的生產成本和增強其散熱能力,LED的缺點(例如價格高於白熾燈或日光燈)將逐漸消失。

根據美國能源部能源效率和可再生能源辦公室提供的資訊,散熱是成功設計LED系統的最重要因素之一。 發光二極體只能將20%到30%的電能轉化為可見光,其餘轉化為熱量,必須從LED晶片導入電路板和散熱片。多餘的熱量會減少LED的光輸出,縮短其壽命。因此,散熱效率的提升對於最佳化LED的性能潛力非常重要。

用散熱基板替代

目前,用於高功率/高亮度用途的LED基板或模組被銲接到一個金屬基印刷電路板(MCPCB)、增強散熱型印刷電路板或陶瓷基板上,然後將基板黏接到散熱片上。 雖然這種配置在LED行業廣泛應用,但它不是最佳的散熱方法,而且製造成本可能很高。

MCPCB和增強散熱型印刷電路板具有良好的散熱性能,但設計靈活度有限,而且如果需要提高散熱效能,成本可能很高,原因是需要額外花費散熱孔加工費用和昂貴的導熱絕緣材料費用。陶瓷基板可以採用導熱性不強但價格便宜的陶瓷(如氧化鋁陶瓷),也可以採用導熱性強但價格十分昂貴的陶瓷(如氮化鋁陶瓷)。總而言之,陶瓷基板的成本高於MCPCB和增強散熱型印刷電路板基板。

為替代上述基板,LED廠商正在測試直接在鋁基板上製作電路的方法,因為這種方法能提供優良的導熱性。由於其優勢,LED產業有興趣採用鋁,但在鋁基板上製作LED電路需要絕緣層。現在,厚膜技術的進展使LED產業能夠獲得使用鋁基板的好處。

厚膜散熱漿料供應商賀利氏材料技術公司研製的鋁基板用材料系統(IAMS)是一種低溫燒結(低於600℃)的厚膜絕緣系統,可以印刷和燒結在鋁基板上。IAMS材料系統包含介電漿料、銀導電漿料、玻璃保護層和電阻漿料。這些材料都適合於3000、4000、5000和6000系列鋁基板。

IAMS的優點

賀利氏公司厚膜材料部全球LED專案經理近藤充先生說:「IAMS是為鋁基板設計的絕緣系統。鋁無法承受超過攝氏660度以上的溫度,標準的厚膜產品基於陶瓷,必須在高溫下燒結,溫度高達攝氏800度至900度。

近藤充先生解釋說:「因為IAMS漿料可在低於攝氏600度的溫度下燒結,所以該系統適合於鋁材加工條件。此外,IAMS獨特的玻璃系統能減少鋁材的變形翹曲,同時能提供較高的Break down voltage和優良的導熱性。」

大多數厚膜漿料的熱膨脹係數(CTE)調整到可用於高溫、低膨脹係數的陶瓷基板。但是,如果使用的是熱膨脹係數很高的鋁基板以及為陶瓷設計的漿料,基板就會因熱膨脹係數的差異而發生「變形翹曲」。根據設計,IAMS的熱膨脹係數與鋁的熱膨脹係數相匹配,可最大限度地減少變形翹曲。

通過採用IAMS,很容易對LED基板的設計進行修改。近藤充先生說:「通過厚膜技術,可以將LED電路圖案直接用網版印刷到鋁基板上。網版圖案很容易根據電路設計的變化加以修改,只需修改網版然後重新印刷即可。」在製作原型和設計階段,這種靈活性很有幫助。

此外,由於印刷過程中印刷IAMS漿料所用的製程是可選擇印刷區域的製程,因此成本較低。絕緣漿料僅印刷在導電電路所在的位置。只要設計恰當,散熱孔很容易直接連接到高導熱性的鋁材上。與蝕刻的MCPCB和增強散熱型印刷電路板相比,這種方法浪費的材料極少(前兩種板材是用化學方法蝕刻銅板而製成電路)。採用IAMS系統時,導體漿料僅印刷在需要形成電路的位置。

另外,採用IAMS技術,客戶只需使用一種絕緣漿料。其他厚膜技術要求為每個絕緣層使用兩種不同類型的玻璃漿料。此外,所有IAMS漿料均符合RoHS規定。

成熟的技術

對LED性能至關重要的是有效的散熱;使LED保持較低的溫度有助於增加亮度和延長壽命。為了證明IAMS可提供LED製造商要求的散熱特性,賀利氏公司邀請第三方進行了測試。賀利氏公司請芬蘭Oulu的VTT技術研究中心對MCPCB和IAMS進行了比較研究。

VTT的研究員Aila Sitomaniemi說:「我們比較了使用MCPCB和IAMS的LED基板的熱特性。我們測試了10個基板,每個電路板上都銲接高功率LED。每塊電路板被放進恆溫室,將電路板底部的接觸溫度保持在攝氏25度,以確保每個電路板受到高效和相同的冷卻。」

Sitomaniemi指出:「測試結果表明,用IAMS漿料銲接的LED,操作溫度低於銲接在MCPCB上的LED。採用350毫安導通電流時,接合處的平均溫度低多達三度,採用700毫安時低多達六度。」

VTT的研究員Eveliina Juntunen說,散熱是主導LED器件性能的關鍵因素。Juntunen說:「使用高功率LED時,必須由散熱來滿足效率、色彩、可靠性和產品壽命方面日益嚴格的要求。」

Juntunen指出:「測量結果顯示,IAMS降低了LED的接合溫度。採用IAMS時,測得LED有效接合處與電路板底部的熱阻值比採用MCPCB低多達20%」。Juntunen說,她認為這些結果很有意義,在以最佳方式應用LED方面具有明顯的優勢。
散熱片印刷

IAMS技術未來有可能直接將電路印刷在散熱片上。目前,在大多數LED組裝業務中,均購買封裝後的LED,然後用低溫黏著劑將LED和散熱片黏接在MCPCB上。每多一層就會增加一層熱阻值,最終會有損於亮度和壽命。

近藤充先生說「IAMS技術使客戶能夠直接將絕緣層印刷在散熱片上,解決了額外的散熱基板(MCPCB、增強散熱型電路板、陶瓷等)增高熱阻值的問題。LED器件可以直接連接到散熱片,提供了最好的散熱方法。」

降低發熱量,延長使用壽命

賀利氏公司的鋁基板用材料系統通過減少LED套件的接合處/層數量來降低熱阻值。通過採用這種單一配方、多功能的系統,LED製造商能夠以低成本進行設計變更,並可進行選擇性印刷絕緣層。由於能夠使用成本較低的基板(如鋁板),因此能夠增強傳導性和延長LED的壽命。

近藤充先生最後說:「使LED套件保持較低的溫度,是實現最佳LED功能的關鍵。將LED的溫度降低10度,可將設備的壽命延長一倍以上,並可降低總成本,這使得LED對消費者更具有吸引力。」

賀利氏公司

賀利氏集團總部位於德國哈瑙,是一家全球性私人企業,擁有超過155年的悠久歷史。本公司的業務包括貴金屬、材料和技術、傳感器、生醫材料、醫療產品和牙科產品、石英玻璃以及特殊光源。本公司的產品銷售收入為26億歐元,貴金屬交易收入為136億歐元。賀利氏公司在全球擁有超過110家子公司,員工超過12,300人,在全球各市場佔據領先地位。欲瞭解更多資訊,請訪問:www.heraeus-thickfilm.com。

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