用厚膜技术最佳化大功率LED

随着对LED（发光二极管）灯具的需求持续增长，新型散热技术使制造商能生产光输出更大和寿命更长的发光二极管LED。 LED提供许多优势，包括耗电低，使用寿命长（灯泡可使用长达40000小时或更长时间）并环保（不含水银）。随着新制造技术降低LED的生产成本和增强其散热能力，LED的缺点（例如价格高于白炽灯或日光灯）将逐渐消失。

根据美国能源部能源效率和可再生能源办公室提供的资讯，散热是成功设计LED系统的最重要因素之一。 发光二极管只能将20%到30%的电能转化为可见光，其余转化为热量，必须从LED芯片导入电路板和散热片。多余的热量会减少LED的光输出，缩短其寿命。因此，散热效率的提升对于最佳化LED的性能潜力非常重要。

用散热基板替代

目前，用于高功率/高亮度用途的LED基板或模组被銲接到一个金属基印刷电路板（MCPCB）、增强散热型印刷电路板或陶瓷基板上，然后将基板黏接到散热片上。 虽然这种配置在LED行业广泛应用，但它不是最佳的散热方法，而且制造成本可能很高。

MCPCB和增强散热型印刷电路板具有良好的散热性能，但设计灵活度有限，而且如果需要提高散热效能，成本可能很高，原因是需要额外花费散热孔加工费用和昂贵的导热绝缘材料费用。陶瓷基板可以采用导热性不强但价格便宜的陶瓷（如氧化铝陶瓷），也可以采用导热性强但价格十分昂贵的陶瓷（如氮化铝陶瓷）。总而言之，陶瓷基板的成本高于MCPCB和增强散热型印刷电路板基板。

为替代上述基板，LED厂商正在测试直接在铝基板上制作电路的方法，因为这种方法能提供优良的导热性。由于其优势，LED产业有兴趣采用铝，但在铝基板上制作LED电路需要绝缘层。现在，厚膜技术的进展使LED产业能够获得使用铝基板的好处。

厚膜散热浆料供应商贺利氏材料技术公司研制的铝基板用材料系统（IAMS）是一种低温烧结（低于600℃）的厚膜绝缘系统，可以印刷和烧结在铝基板上。IAMS材料系统包含介电浆料、银导电浆料、玻璃保护层和电阻浆料。这些材料都适合于3000、4000、5000和6000系列铝基板。

IAMS的优点

贺利氏公司厚膜材料部全球LED专案经理近藤充先生说：“IAMS是为铝基板设计的绝缘系统。铝无法承受超过摄氏660度以上的温度，标准的厚膜产品基于陶瓷，必须在高温下烧结，温度高达摄氏800度至900度。

近藤充先生解释说：“因为IAMS浆料可在低于摄氏600度的温度下烧结，所以该系统适合于铝材加工条件。此外，IAMS独特的玻璃系统能减少铝材的变形翘曲，同时能提供较高的Break down voltage和优良的导热性。”

大多数厚膜浆料的热膨胀系数（CTE）调整到可用于高温、低膨胀系数的陶瓷基板。但是，如果使用的是热膨胀系数很高的铝基板以及为陶瓷设计的浆料，基板就会因热膨胀系数的差异而发生“变形翘曲”。根据设计，IAMS的热膨胀系数与铝的热膨胀系数相匹配，可最大限度地减少变形翘曲。

通过采用IAMS，很容易对LED基板的设计进行修改。近藤充先生说：“通过厚膜技术，可以将LED电路图案直接用网版印刷到铝基板上。网版图案很容易根据电路设计的变化加以修改，只需修改网版然后重新印刷即可。”在制作原型和设计阶段，这种灵活性很有帮助。

此外，由于印刷过程中印刷IAMS浆料所用的制程是可选择印刷区域的制程，因此成本较低。绝缘浆料仅印刷在导电电路所在的位置。只要设计恰当，散热孔很容易直接连接到高导热性的铝材上。与蚀刻的MCPCB和增强散热型印刷电路板相比，这种方法浪费的材料极少（前两种板材是用化学方法蚀刻铜板而制成电路）。采用IAMS系统时，导体浆料仅印刷在需要形成电路的位置。

另外，采用IAMS技术，客户只需使用一种绝缘浆料。其他厚膜技术要求为每个绝缘层使用两种不同类型的玻璃浆料。此外，所有IAMS浆料均符合RoHS规定。

成熟的技术

对LED性能至关重要的是有效的散热；使LED保持较低的温度有助于增加亮度和延长寿命。为了证明IAMS可提供LED制造商要求的散热特性，贺利氏公司邀请第三方进行了测试。贺利氏公司请芬兰Oulu的VTT技术研究中心对MCPCB和IAMS进行了比较研究。

VTT的研究员Aila Sitomaniemi说：“我们比较了使用MCPCB和IAMS的LED基板的热特性。我们测试了10个基板，每个电路板上都銲接高功率LED。每块电路板被放进恒温室，将电路板底部的接触温度保持在摄氏25度，以确保每个电路板受到高效和相同的冷却。”

Sitomaniemi指出：“测试结果表明，用IAMS浆料銲接的LED，操作温度低于銲接在MCPCB上的LED。采用350毫安导通电流时，接合处的平均温度低多达三度，采用700毫安时低多达六度。”

VTT的研究员Eveliina Juntunen说，散热是主导LED器件性能的关键因素。Juntunen说：“使用高功率LED时，必须由散热来满足效率、色彩、可靠性和产品寿命方面日益严格的要求。”

Juntunen指出：“测量结果显示，IAMS降低了LED的接合温度。采用IAMS时，测得LED有效接合处与电路板底部的热阻值比采用MCPCB低多达20%”。Juntunen说，她认为这些结果很有意义，在以最佳方式应用LED方面具有明显的优势。
散热片印刷

IAMS技术未来有可能直接将电路印刷在散热片上。目前，在大多数LED组装业务中，均购买封装后的LED，然后用低温黏着剂将LED和散热片黏接在MCPCB上。每多一层就会增加一层热阻值，最终会有损于亮度和寿命。

近藤充先生说“IAMS技术使客户能够直接将绝缘层印刷在散热片上，解决了额外的散热基板（MCPCB、增强散热型电路板、陶瓷等）增高热阻值的问题。LED器件可以直接连接到散热片，提供了最好的散热方法。”

降低发热量，延长使用寿命

贺利氏公司的铝基板用材料系统通过减少LED套件的接合处/层数量来降低热阻值。通过采用这种单一配方、多功能的系统，LED制造商能够以低成本进行设计变更，并可进行选择性印刷绝缘层。由于能够使用成本较低的基板（如铝板），因此能够增强传导性和延长LED的寿命。

近藤充先生最后说：“使LED套件保持较低的温度，是实现最佳LED功能的关键。将LED的温度降低10度，可将设备的寿命延长一倍以上，并可降低总成本，这使得LED对消费者更具有吸引力。”

贺利氏公司

贺利氏集团总部位于德国哈瑙，是一家全球性私人企业，拥有超过155年的悠久历史。本公司的业务包括贵金属、材料和技术、传感器、生医材料、医疗产品和牙科产品、石英玻璃以及特殊光源。本公司的产品销售收入为26亿欧元，贵金属交易收入为136亿欧元。贺利氏公司在全球拥有超过110家子公司，员工超过12,300人，在全球各市场占据领先地位。欲了解更多资讯，请访问：www.heraeus-thickfilm.com。