LED燈鋁基板的測試評價技術(shù)研究

魏曉慧，曹建忠，廖天發(fā)，史洪宇，凌家良，彭 玲

（惠州學院 電子信息與電氣工程學院，廣東 惠州 516002）

0 引言

功率型LED已在城市景觀、交通標志、LCD背光源、汽車照明、廣告牌等特殊照明領(lǐng)域得到應(yīng)用，并向普通照明市場邁進。然而，隨著LED芯片輸入功率的不斷提高，大耗散功率帶來的大發(fā)熱量及高的出光效率給LED的封裝材料提出了更新、更高的要求。目前LED常用的基板材料有硅、金屬（如鋁、銅等）、陶瓷（如Al203、AlN）和復合材料等[1]，其中由于復合材料成本低而得到廣泛的應(yīng)用。但是對于功率型LED來說，復合材料基板由于其散熱性能較差而不能滿足要求，而金屬基板雖然散熱性能較好，但難度大，技術(shù)不成熟，成本較高，在國內(nèi)外還處于研發(fā)階段。在金屬基板中，鋁基板由于其價格較低成為功率型LED燈提高散熱能力的首選，在國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛研究。根據(jù)功率型LED燈散熱特性需求，需要鋁基板具有較高的熱導率和較高的擊穿電壓，同時要求金屬電極與基板的結(jié)合力較強。

LED燈作為一種近年來的新型光源，高功率LED燈仍然處于研究發(fā)展階段。從文獻資料來看[2]，對高功率LED燈鋁基板的性能測試也處于研究階段，尚未形成一套完整的測試評價體系。國內(nèi)用于照明的大功率LED單面鋁基板，有企業(yè)標準要求耐高壓測試條件為電壓2 000 VAC漏電電流預(yù)置1.0 mA、測試時間3 s[3]。而歐洲明確規(guī)定燈具類耐電壓為3 750 VAC、漏電電流為0.5 mA、測試時間1～3 s，此要求指的是燈具整體耐電壓要求而不是指基板PCB的耐電壓要求。燈具耐電壓性能是由PCB耐電壓性能和燈具絕緣防護方案共同組成，因此PCB耐電壓性能測試成為燈具性能的一項重要參數(shù)。依據(jù)GB70001-2007規(guī)定PCB耐電壓應(yīng)是2U+1 000 V（U指額定工作電壓）[4]，可見LED燈基板的耐電壓需要根據(jù)燈具的絕緣等級、燈具的額定工作電壓等要求來確定，同時還需要考慮基板的導熱率和導電金屬膜的結(jié)合力強度以及耐焊性等因素。因此LED燈用金屬鋁基板的性能測試評價技術(shù)還有待于開發(fā)研究。

1 測試方法

目前常用的鋁基板由金屬導電層、導熱絕緣層及鋁基層三部分組成，如圖1所示。根據(jù)LED燈對鋁基板的技術(shù)要求及鋁基板的結(jié)構(gòu)，鋁基板的性能測試主要為以下幾個方面。

圖1 鋁基板的基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Basic structure of aluminum substrate

1.1 導熱性能測試

圖2是大功率LED芯片常用的兩種散熱形式。散熱性能與結(jié)構(gòu)、散熱片、電氣連接基板以及LED芯片焊接熱阻等有關(guān)。由圖可知，熱量主要是從LED封裝模塊向散熱器傳導。所以LED散熱技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是基板和黏結(jié)材料[5]。對于鋁基板來說，由于其金屬鋁與金屬散熱片有良好的導熱性能，因此LED散熱性能主要由鋁基板的導熱能力來決定。

圖2 LED芯片兩種散熱形式圖Fig.2 LED chips two forms of heat dissipation）

LED用鋁基板的導熱能力常用熱阻表征，也可以用熱導率（亦稱導熱系數(shù)）來表征。熱阻是在穩(wěn)態(tài)下流經(jīng)材料單位熱流密度所產(chǎn)生的冷、熱面的溫度差，板式材料的熱阻由式（1）表示[6]：

而熱導率是在穩(wěn)態(tài)下材料內(nèi)垂直于等溫面方向形成單位溫度梯度的熱流密度，由式（2）表示：

式中：R為熱阻，m2·℃/W；λ為熱導率，W/m·℃；Φ為熱流量，W；A為垂直于溫度梯度方向的截面積，m2；δ為垂直于等溫方向的材料厚度，m；t1、t2為材料冷、熱面溫度，℃。

由式（1）、式（2）可知R=δ/λ，可見單位厚度材料的熱阻與熱導率互為倒數(shù)。由于鋁基板為典型的平板材料，因此其導熱能力可通過測量熱導率或熱阻來評價。

目前國內(nèi)外關(guān)于導熱系數(shù)的檢測方法很多，相關(guān)的標準也較多。檢測樣本不同，對檢測方法的適用領(lǐng)域、測量范圍和精度的要求也不同。在檢測時，選擇合適的檢測方法至關(guān)重要。由于物理模型、試驗方案和試驗裝置的不同，各種導熱系數(shù)的測定方法按照熱流狀態(tài)可分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩種。穩(wěn)態(tài)法是經(jīng)典的保溫材料的導熱系數(shù)測定方法，如熱流法、平板法等。非穩(wěn)態(tài)法的原理是對處于熱平衡狀態(tài)的試樣施加某種干擾，同時檢測試樣對熱干擾的響應(yīng)，然后根據(jù)響應(yīng)曲線確定試樣的導熱性能，如熱線法、閃光法等。不同方法具有不同特點：

（1）熱線法是在均勻的各向同質(zhì)的試樣中放置1根電阻絲，即“熱線”，當熱線以恒定的功率加熱時，熱線和試樣的溫度會隨時間升高，根據(jù)溫度隨時間的變化的關(guān)系，可確定試樣的導熱系數(shù)。在檢測固體材質(zhì)的導熱系數(shù)時，檢測樣品與熱線需要相隔一定距離，通過檢測熱線和樣板的溫度變化來測量樣品的導熱系數(shù)，產(chǎn)生的誤差相對較大。適用于導熱系數(shù)小于2 W/m·K的各項同性質(zhì)材料的導熱系數(shù)的測定，也可檢測體積大的樣品。

（2）閃光法是將具備一定能量的脈沖光照射到厚度為d的薄圓片試樣表面，在試樣背面測出溫度隨時間的變化曲線，找準背面溫升到最大溫升一半時所需要的時間，確定熱擴散率，從而計算出材料導熱系數(shù)一種測量方法。該方法適用材料種類廣，如金屬、陶瓷、碳、半導體等均質(zhì)性材料，目前已經(jīng)成為非穩(wěn)態(tài)法中應(yīng)用最為廣泛的方法。閃光法最大的特點是檢測周期短（幾十秒），測量范圍寬0.1～2 000 W/m·K，測量溫度范圍大110～2 000℃，檢測試樣小，測量結(jié)果準確度高。

（3）熱流法是測量被測材料的厚度、試樣兩側(cè)的溫差和通過試樣的熱流，根據(jù)導熱定律確定試材的導熱系數(shù)。適用于導熱系數(shù)較小的固體材料、纖維材料和多孔隙材料。該方法存在橫向熱損失，同時忽略了上下表面的接觸熱阻，使其精度不高，誤差較大，檢測周期較長，不能檢測導熱系數(shù)大的樣品。

（4）平板法是根據(jù)平板的導熱量Q和平板兩面的溫差、厚度和導熱系數(shù)的關(guān)系來分析計算的。該方法測量準確度高，最大特點是采用多個加熱器（主加熱器和輔加熱器）來控制熱量的穩(wěn)態(tài)傳導，從而減小環(huán)境溫度和側(cè)面散熱的影響，確保主加熱器產(chǎn)生的熱量能有效的傳給試件；同時在公式計算中采用有效面積來減小邊緣受熱不均產(chǎn)生的誤差。測量的溫度范圍大（可達600℃），測量準確度較高（相對熱流法），一般量程可達2 W/m·K。

LED基板導熱系數(shù)的檢測方法要考慮基板材料的特性，電路板的散熱性能與基材的熱導率有關(guān)，僅用構(gòu)成材料的熱導率還不能完全反映電路板的散熱性能，另外還受到來自表面輻射和對流的影響，而且電路板的熱傳導性具有不同的方向性[7]。與此同時還要考慮檢測條件，選擇接近實際使用環(huán)境，采用與LED大小程度基本相同的參照熱源溫度，以及熱源溫度精度的保證等因素。

考慮到LED散熱能力因素的復雜性，假定散熱設(shè)計相同的情況下，通過對比分析國內(nèi)外各種導熱系數(shù)的檢測方法，建立一種LED用鋁基板導熱系數(shù)的檢測方法。檢測方法基于穩(wěn)態(tài)法的思想，在傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)法的基礎(chǔ)上進行拓展，不用基板表面溫度的變化來反映基板導熱能力，而是通過固定熱源的熱阻變化來反映基板的熱物理性能。依據(jù)面方向和厚度方向?qū)嵯禂?shù)的檢測數(shù)據(jù)，考量不同組合的基板的綜合散熱能力。檢測時，將試樣安裝在熱阻測試儀面方向和厚度方向的試驗平臺上（如圖3），對試樣上安裝的標準熱源提供額定功率，待溫度達到正常狀態(tài)后，確認面方向和厚度方向試驗裝置的溫度，依據(jù)式（1）求得兩個方向的導熱系數(shù)。以面方向和厚度方向的測量值建立坐標系對試驗的散熱性能進行分類，橫向?qū)Ρ?，實現(xiàn)基板散熱能力的綜合評估。檢測方法統(tǒng)一熱源和試樣規(guī)格，保證基板綜合散熱能力評估的可對比性，同時也消除了熱源和試樣本身的熱消耗對檢測結(jié)果的影響。

圖3 熱阻測試儀實物圖Fig.3 Thermal resistance tester

1.2 耐壓測試

LED燈作為照明設(shè)備，需要設(shè)定一個絕緣安全指標，而作為LED芯片安裝支撐的基板是確定絕緣性能的主要因素。介質(zhì)耐壓試驗是在相互絕緣的部件之間或絕緣的部件與地之間，在規(guī)定時間內(nèi)施加規(guī)定電壓，以此來確定元件在額定電壓下能否安全工作；能否耐受由于開關(guān)、浪涌及其他類似現(xiàn)象所致的過電位的能力，從而評定元件絕緣材料或絕緣間隙是否合適。如果元件有缺陷，則在施加試驗電壓后，必然產(chǎn)生擊穿放電或損壞。擊穿電壓表現(xiàn)為飛狐（表面放電）、火花放電（空氣放電）或擊穿（擊穿放電）現(xiàn)象。過大漏電流可能引起電參數(shù)或物理性能的改變[8]。同樣，為了合理評價LED燈用鋁基板的絕緣安全性，可以通過測試其擊穿電壓來表征。

參閱文獻IPC-TM-650/2.5.6（剛性印制電路板材料的擊穿電壓）、IPC-TM-650/2.5.6.2（剛性印制電路板的擊穿強度）、IPC-TM-650/2.5.7（剛性線路材料的介質(zhì)耐電壓）、IPC-6012/3.8.1（印制電路板的耐電壓）與擊穿電壓及耐高壓相關(guān)的IPC測試標準，僅講述了剛性印制電路板及其材料的耐高壓測試方法，沒有檢測金屬基板的耐高壓測試方法。文獻[3]給出的鋁基板測試條件為電壓2 000 VAC（AC為交流，DC為直流）、漏電電流預(yù)置1 mA、測試時間3 s。從LED燈對鋁基板的絕緣安全性能要求，以及工程設(shè)計和生產(chǎn)控制方法分析，可以得出影響擊穿電壓的主要因素有五點：（1）介質(zhì)材料的絕緣系數(shù)與介質(zhì)厚度；（2）耐高壓鋁基板的圖形設(shè)計；（3）阻焊層的厚度；（4）耐高壓鋁基板的表面清潔程度；（5）耐高壓鋁基板的表面相對濕度。

圖4是典型的耐高壓單面鋁基板結(jié)構(gòu)圖[3]。鋁基耐高壓能力，除與設(shè)計圖形有關(guān)外，還與鋁基板圖形線路上涂覆的阻焊層厚度有關(guān)，為保障耐高壓效果，阻焊層厚度必須保證在10 um以上。耐擊穿電壓能力還跟鋁基板的表面清潔程度有關(guān)，因此電測試前必須使DI水洗清潔板面，保證板面清潔，而且還要保證板面的濕度。

圖4 典型的耐高壓單面鋁基板結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Reference drawing of typical high voltage resistant single aluminum substrate）

綜上所述，LED燈用鋁基板的耐壓測試在國內(nèi)外還沒有形成規(guī)范的測試標準。根據(jù)目前國內(nèi)LED燈用鋁基板的技術(shù)現(xiàn)狀，參照QJ483-90（鋁及鋁合金絕緣陽極化膜層擊穿電壓測試方法）[9]標準，選取LED燈用鋁基板擊穿電壓測試方法為：測試前對鋁基板表面用蘸有無水乙醇的脫脂棉布擦拭，去除表面油污，并在120℃下烘烤20～30 min，以保證其表面干凈干燥；測試條件為：電壓2 000 VAC、漏電電流預(yù)置1 mA、測試時間1 min。觀察膜層是否被擊穿，當電壓在小于規(guī)定值的任一值或雖達到規(guī)定值，但不能持續(xù)1 min突然降到零時，說明膜層已被擊穿，此值即為擊穿電壓。圖5是鋁基板單個獨立工作面和兩個工作面耐壓測試示意圖。

圖5 鋁基板耐壓測試示意圖Fig.5 Sketch map of aluminium substrate withstand voltage test

1.3 導電膜結(jié)合力測試

鋁基板導電膜與基板的結(jié)合強度也是一項重要指標。由于膜基體系的多樣性與復雜性，現(xiàn)階段關(guān)于膜基結(jié)合強度的檢測方法多達300多種[10]，但總體上可歸納為兩大類，即定量測量與定性測量。其中定量測量以膜層脫落時的臨界載荷作為評價指標，主要有拉伸法、劃痕法、壓痕法、剝離法等方法。而定性測量以經(jīng)驗判斷和比較為主，簡單快速，一般以合格與不合格來評定，主要有劃格法、熱振實驗法、彎曲實驗等方法。每種檢測方法都有自身的局限性與不足。

LED燈用鋁基板要求導電膜不但具有良好的導電、導熱性能，還要具有一定的抗熱應(yīng)力強度，也就是要具有抗熱和抗拉強度。因此鋁基板導電膜的結(jié)合力測試選用最簡單的垂直拉伸法來定量測試，圖6是垂直拉伸法測試示意圖。

圖6 垂直拉伸法示意圖Fig.6 Sketch of vertical stretching method

垂直拉伸法易受膜層缺陷、膜層表面狀態(tài)和試樣位置對的影響，在測試前要對膜層表面通過放大鏡觀察，選擇表面狀態(tài)良好的試件。選用黏結(jié)劑的黏結(jié)強度必須要大于膜層與基材之間的結(jié)合強度，因為只有這樣才能保證脫落發(fā)生在膜層與基材之間；要選擇固化時間合適的黏結(jié)劑，如果固化時間過長，很容易出現(xiàn)黏結(jié)劑的滲入，影響測量結(jié)果的準確性。

2 測試方法驗證

通過對LED燈用鋁基板的特性分析，以及鋁基板散熱、耐電壓和導電膜結(jié)合力測試方法的對比，確定了鋁基板的性能測試評價方法，并對試制的鋁基板進行了實際應(yīng)用測試。

試件為三層Al2O3鋁基板，導電膜為銅合金膜?；鍨棣?0的圓片，厚度為1 mm，導電膜層距基板邊緣1 mm。根據(jù)確定的測試方法，分別測試基板導熱系數(shù)、擊穿電壓和導電膜結(jié)合力。

（1）導熱系數(shù)測試

采用美國Laser Comp公司生產(chǎn)的HC-074-200型導熱系數(shù)測定儀，測量方式為熱流法。測得試件厚度方向?qū)嵯禂?shù)為1.0 W/m·K、面方向?qū)嵯禂?shù)為0.8 W/m·K，綜合考慮，基板導熱系數(shù)為0.8～1.0 W/m·K。

（2）擊穿電壓測試

采用7710耐壓測試儀，電壓范圍為0～12 kV，測試前用無紡布蘸95%無水乙醇對試件表面進行除油擦拭，以保證表面無油污染；之后在真空烘箱中，120℃溫度下烘烤30 min。預(yù)設(shè)漏電流為1 mA，電壓為2 000 VAC，爬升時間1 min。測得試件擊穿電壓為800 V。

（3）導電膜結(jié)合力測試

測試試件為Φ50的圓片，厚度為1 mm，導電膜直徑為Φ40。采用H50KT型號的拉力計測量拉力，粘接膠為環(huán)氧樹脂，測試前對試件表面用無紡布蘸用95%無水乙醇進行擦拭清潔，以保證黏接牢靠，測得結(jié)合力為1 100 N/cm2。

測試結(jié)果均在試件預(yù)測技術(shù)范圍之內(nèi)。鋁基板的導熱系數(shù)（即導熱率）、擊穿電壓和導電膜的結(jié)合力為LED燈的絕緣等級評價，以及與其壽命評價相關(guān)的散熱能力和焊接阻抗及熱阻提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。鋁基板的測試方法能夠滿足LED燈性能評價的需求。

3 結(jié)論

通過分析LED燈用鋁基板的特性，以及對導熱系數(shù)、絕緣耐壓測試和金屬膜結(jié)合力強度測試方法的比較，選擇確定了鋁基板關(guān)鍵參數(shù)的測試方法。通過實際測試應(yīng)用得到結(jié)論：

（1）散熱能力可以通過測量基板厚度方向和面方向的導熱系數(shù)來得到；

（2）絕緣耐壓可以通過測量基板的擊穿電壓來評價；

（3）導電膜結(jié)合力能夠用垂直拉伸法來測量膜與基板拉脫力；

（4）研制的鋁基板的導熱系數(shù)、擊穿電壓和膜層結(jié)合力的測試數(shù)據(jù)能夠滿足LED燈性能評價需求。

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