最近TV、LCD、Cell-Phone、PC (Notebook)等便攜用以及生活用家電等電子產品的高性能化、小型化、集成化、Module化等進展急速。高性能化需在電子產品中內置能耗多的LED,而相反小型化與集成化給實現產品化帶來了尺寸方面的制約。
市場傾向于要求提高功率,因此對可容納的LED封裝的設計Maigin急劇減少。同時 Module化的熱問題已經不再單純是LED產品一個的問題,而是整體System的問題。
將LED封裝內部Chip發生的熱量進行有效管理,已不是產品電學/光學特性問題,而是成為了影響產品的壽命、信賴性、制造成本等的要素。尤其拿LED應用產品來說,擁有隨著使用溫度、drive current所帶來的功率對熱與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發生的熱,就會使同樣規格的產品產生不同的光效率,直接引發產品的競爭力問題。功耗高的同時具有良好散熱結構的產品是市場所需的最具競爭力的LED應用產品。
本專欄中將對各組成要素散熱技術中的Board level散熱技術進行解析。
Metal PCB 的概念與組成
目前電路上主要使用的印刷電路板 (Printed Circuit Board)是用玻璃纖維與環氧的復合材料制成的具有絕緣層的FR-4板。
FR-4板熱傳導度約為0.3 W/m-K左右非常低,而產生較多熱量的高輸出電路使用著熱傳導良好、擁有絕緣層以及金屬Base的Metal PCB板。LED領域照明的輸出越高,Metal PCB板的使用就越普及。Metal PCB板又稱MCPCB(Metal-Core Printed Circuit Board)、MPCB等。
Schematics of Metal PCB
以下圖片是除LED以外主要使用Metal PCB的應用領域。主要用于功率變換裝置、發動機等的電路板。
Various Applications of Metal PCB (Source: Bergquist)
LED的發熱量與現有其他電半導體相比雖然低,但由于使用對熱量相對弱的光學材料,因此為了降低LED Junction Temperature須使用Metal PCB等高散熱印刷電路板。
Cross-Section of Typical Metal PCB
下列圖片是2 W/m-K級擁有熱傳導度絕緣層的Metal PCB剖面圖。
Cross-Section of Typical Metal PCB
Metal PCB的絕緣層是為克服現有做環氧時基礎絕緣層熱傳導度低的問題,主要使用擁有高熱傳導度的高分子矩陣 (Matrix)絕緣物質陶瓷粉末作為Filler制造成的復合材料。
陶瓷粉末中目前氧化鋁 (Al2O3)粉末使用最多,雖然特性稍差但價格非常低廉。
氧化鋁用作Filler的情況來說,目前最常見的一般Metal PCB約采用1~2 W/m-K左右熱傳導的絕緣層。厚度約為75um的最普遍,而需要相對高的內電壓特性時增加厚度的情況也存在。
金屬Pattern層是將Cu foil進行Lamination制造而成,因此一般擁有1~2 Oz水平的厚度,而 Soldering時為提高Wetting特性,有時也制成鍍金層。
同時, 為防止Solder擴散而形成了PSR(Photo Solder Resist)。此時使用的PSR是在LED上為提高光輸出,替代使用目前用于電路板上的綠色,使用發射度良好的白色系列PSR。
下列圖表是對目前常用的Metal PCB的各種特性按企業別進行了比較。
Typical data of Metal PCB (Source: CoreSEM)
Metal PCB特性與目前FR-4 PCB相比具有優秀的散熱特性,但由于價格負擔大,因此不需要高散熱時,提高FR-4 PCB的散熱特性使用Board的情況較多。
同時,主要形成Thermal Via之后,從基板的下方放出熱量或者利用Copper的高散熱特性,制成快速散熱的形態。
Thermal Via來說分為,先形成Via然后重新用Metal進行填充的Filled Via形態與僅在Via墻壁上鍍金形成Metal層的Through Hole type。
Flexible高散熱 PCB
一般的Metal PCB是單一金屬pattern層的單層PCB且為不可彎曲的Rigid PCB。 因此在彎曲面貼付形成LED電路時,須用Flexible基板替代使用Rigid基板。
Flexible PCB主要采用了Polyimid板的基板,而低熱傳導仍是其問題所在。因此為擁有既是熱傳導度高的絕緣層,又是高彈性(Flexibility)的LED,需要高散熱基板。
以下圖片是Metal PCB板與Flexible PCB板的剖面結構圖。
為具有彈性替代使用Al Base, 將Cu foil貼付在兩側,讓其同時起到Base與Pattern層的作用,這樣絕緣層的熱傳導度非常高,因此提高陶瓷粉末含量,就會引起彈性降低或者Crack等粘著力降低等諸多問題,而目前Filler含量低,因此只生產與Rigid Metal PCB相比熱傳導度低的產品。
Structure of Flexible Metal PCB (Source: Denka)
目前多方向開發著與現有Metal PCB相比熱傳導度更加優秀的高散熱Metal PCB。
為提高Metal PCB的散熱特性可以兩種方式接近。一種是增加Metal Base的熱傳導度,另一種是增加絕緣層的熱傳導度。
下列圖片是通過熱解析結果,說明了提高Metal PCB的Metal Base熱傳導度時Junction溫度減少的幅度。目前與Al5051這樣的鋁合金主要被用作Metal Base,而可以確信的是即使使用熱傳導度高的金屬或者復合材料,對Junction Temperature起到的影響也不過是1 ℃ 以下水平。