LED 散热材料分析.pdf

版权所有 转载请注明出处LED 散热材料分析散热材料分析 夏俊峰 2011.03.15 前言前言 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、针对一、针对 LED 散热引入的新材料散热引入的新材料 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。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。氮化铝的导热系数图 1图 2 版权所有 转载请注明出处虽然理论上很高，但目前实际产品的导热系数最高一般是 150200 W/(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 21.8 W/(m)，99 瓷的导热系数是 36 W/(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！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 153 W/(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，同样的震动，大块玻璃就容易碎，很小块的就不容易碎。图 3 的样品我们在后来的拆卸过程中不小心就碎掉了。封装方面采用陶瓷和硅材料，还有一个说法，就是它们的热膨胀系数较低，可以和 LED 芯片较好地匹配。对此需要具体问题具体分析。LED 芯片材料的热膨胀系数和铜、铝相比，确实相差很大。在较高温度变化时，容易产生应力损坏 LED 芯片。但是，由于 LED 的特性，是不允许工作在较高温度的。在应用中，通常要求 LED的芯片温度低于 7080 度（通过外部的散热设计来实现）。通过在4050的环境下点亮 LED的试验，铜底座封装的 LED 并没有发生失效现象。说明 LED 中热膨胀系数不匹配的问题在一般环境下使用并不是问题。从上面的分析来看，在芯片的封装方面，纯粹从导热的角度看，还是铜材料是最合适的。只有在需要考虑热、电分离时，才可以考虑具有绝缘特性的陶瓷、硅等材料。二、二、LED 应用方面的散热材料分析应用方面的散热材料分析 图 4.陶瓷基板图3.CREE的瓷底座封装版权所有 转载请注明出处在电子散热方面，通常是采用铝材散热器。某些特殊用途，如 CPU 散热，会用到铜材散热器。铜的导热系数比铝材高很多，但是铜的表面热辐射率要比铝低。自然散热时，同样的散热器结构尺寸，铜散热器散热效果不如铝。但是若采用强迫风冷，则辐射散热退居次要，铜材散热器要优于铝材散热器。最近，一些厂商将陶瓷材料、导热塑料、石墨质材料等引入 LED 散热应用。那么，这些材料的实际散热效果如何？1.陶瓷材料散热器陶瓷材料散热器 对于导热用的陶瓷的导热特性，上面已经介绍过了。那么把陶瓷材料作为散热器效果会怎样？最早出现的、用于 LED 散热的陶瓷材料是一种多孔结构的陶瓷（出现与 2006 年下半年）。这种材料追求的是所谓表面积，认为由于材料中有很多的微孔，散热总表面积会比同样宏观表面积相同的其它材料的总表面积大很多。实际上，这种陶瓷的导热系数只有大约 15 W/(m)左右，热源的热量很难传导到表面，所以，实际的散热效果很差。与同样表面积的铝板相比，热源的温度相差 10 度以上。这种微孔陶瓷散热材料似乎很快就没有音讯了。近年来又出现了用陶瓷做散热器的苗头。网上对陶瓷散热器的吹捧比较旺。本人没有找到这类用于做散热器的陶瓷的材料组分，根据本人对陶瓷的了解，市面上出现的陶瓷散热器应该是氧化铝材料。通过对一款陶瓷散热灯杯和一款体积差不多的铝杯的比较，发现这款陶瓷散热器的效果很差。两种散热器的结构见图 5。这两款灯杯都为 3W 设计的。实际用 2.38W 的 LED 工作，结果用陶瓷杯散热，芯片温度比用铝杯时高 12以上。陶瓷易碎，不耐跌落和较强烈震动。其实，陶瓷的表面热发射率并不比铝高，两者基本相当。而陶瓷的导热率也不如铝，尤其是氧化铝陶瓷的导热系数更是远低于散热用的合金铝，所以陶瓷散热不如铝应该是正常的。不知道为什么把陶瓷神话了。2.导热塑料散热器导热塑料散热器 今年还出现了一种导热塑料散热器推销给 LED 应用。从这种导热塑料的规格书上看，其导热系数是很低的，也就在 15 W/(m)左右，比上面提到的氧化铝陶瓷的导热率还要低。不过，一些塑料的表面热发射率稍高于铝，在较长波红外线的发射率比较高。对两款塑料散热灯杯和铝杯做了对比测试。灯杯外形基尺寸对比见图 6。图中 1#塑料杯是标称 6W 的散热器，2#塑料杯是标称 3W 的散热器。因此也用标称 3W的铝散热器来做测试对比。（因手头没有与 1#塑料杯对应的铝杯，所以没有做对比试验。）测试数据见表 1。从 1#塑料杯的 6.384W 热源结果看，结温太高，远超应该限定的 70。而该杯在 2.38W 热源时的表现尚可。所以，该款导热塑料杯实际应该用于 3W 的 LED 散热用。2#塑料杯的结温，若折算到环境温度 25，也超过了 70。但是还勉强可用。再看铝杯，散热效果相对是很好的。1#塑料杯可以替代 3W 级的铝杯，可是该塑料杯的体积接近被替代铝杯的 2 倍，重量比铝杯总重，价图 5 陶瓷杯 铝杯1#塑杯2#塑杯铝杯图 6版权所有 转载请注明出处格上也会高于铝杯。所以不具备使用可选择性。2#塑料杯散热可用，但是和铝杯相比，LED 结温相差近 10，因此，相比之下，也不具备使用可选择性。另外，塑料材料的可降解性问题，使得它不是环保材料。结论就是，目前的导热塑料散热器不宜使用。表 1.几种灯杯的散热比较 散热方式 LED初始 电压（V）LED稳定电压（V）结温（）LED电流（A）总功率（W）环温（）1#塑杯 3.648 3.472 91.9 350 6.384 21.5 2#塑杯 3.4 3.278 70.3 700 2.38 21.5 1#铝杯 3.4 3.299 61.9 700 2.38 21.5 1#塑杯 3.4 3.302 60.7 700 2.38 21.5 3.石墨类散热材料石墨类散热材料 石墨由于其分子排列结构特性，造成了它热传导的各向异性。其结构是层状的，层内是共价键结构，层间是分子键结构。层内的热传递快，层间的分子距离大，热传递慢。它的结构也造就了它的酥松特性。现在有研究者将石墨加工成片状用来导热、散热，主要是想利用它的横向（层内）高导热性。仅以此看，似乎不错。但是，通过横向将热导出后，还是要通过一定面积将热散到空气中或传导到其它散热器上。这就要求，在横向通路的终端，需要有较大的截面积。也就是说，石墨类导热体应该是一种椎体形状，否则，截面积突然增大，由于纵向导热率很低，依然起不到热流的快速扩展。而椎体的终端面应该根据散热量的大小来确定。估计这样的导热体是不实用的。现实市场上提供的石墨类导热片，都是片状的，有很薄片的，说是用来替代导热硅脂之类的导热中间介质；也有厚一点的，用来做传导热的，同时还兼散热器作用。从某供应商在网上提供的资料看【1】，这种石墨类导热材料确实将中部热源的热量导到了两边，可是，两边的热如何能散掉或导出，则是个问题。图 7 中，使用后的状况令人有些疑问，即使这类石墨材料导热再好，也不会导致中部热源的温度低于边上的散热板的温度呀。所以这组图的真伪令人怀疑。在某些热源功率不太大、且热源附近没有空间安置散热器的情况下，可以考虑用这类石墨类材料片做为导热兼散热器。对于大功率的热源，仅靠石墨片的表面散热，需要多大的面积，是要仔细考虑的。散热面积不够时，加装散热器，由于石墨纵向导热能力差，纵向散热器传导的热量就有限，散热是否还会好，这还需要研究。使用前使用后 图 7热源温度低散热板温度高版权所有 转载请注明出处将这类石墨片做为热源与散热器之间的导热介质，对于界面不是很平整的情况，还是有点效果的，但是并不比常用的导热硅脂好到哪里。而对于热源与散热器的接触面较平整时，添加任何导热介质都会起到坏的作用。【2】三、结论三、结论 1.现阶段，氧化铝陶瓷、硅材料不是导热、散热的合适材料。在需要热、电分离时才可考虑使用。2.现阶段，氧化铝陶瓷、导热塑料做散热器，远不如合金铝散热器。3.设计人员在选用某个材料时，一定要全面考虑其参数，不能只看某一个很有诱惑力的参数，即使它是一个看来很重要的参数。参考资料参考资料【1】http:/