MCPCB结构对LED发热的影响

管春,何丰
(重庆邮电学院通信与信息学院,重庆400065)
摘　要:在LED的设计中,因为单管LED无法达到照明强度的要求,设计者经常使用多个LED来达到效果。因为散热的原因,LED之间的最佳距离是设计者必须面临的问题。该文认为LED的发热不仅与LED间的距离有关,而且还与它们使用的金属芯印制板(MCPCB)的绝缘层、铜箔层以及焊接层的厚度有关,并导出了它们之间的关系。
关键词:发光二极管;金属芯印制板;载芯片板

1　前言
LED是以化合物半导体为材料,用微电子工艺制成pn结发光的一种光电器件。它具有低工作电压(2～4 V) ,低功耗(几十至一百毫瓦) 、高效率、长寿命(可连续工作几万小时) 、固体化、响应速度快(零点几微秒级) 、驱动电路简单等特点。经历30多年的发展,现在LED材料外延生长、器件工艺日臻成熟,品种丰富多彩,涵盖可见光七色、白色以及红外、紫外波段;封装形态各异达上百种之多。从光电性能上亦能满足各种显示、指示、警示以及特殊照明光源的需求。值得一提的是,LED价格逐步下降,其应用领域不断拓展,涵盖国民经济各行各业以至国防军事。在LED的设计中,因为单管LED无法达到照明强度的要求,设计者经常使用多个LED来达到效果。因为散热的原因, LED之间的最佳距离是设计者必须面临的问题。本文认为LED 的发热不仅与LED间的距离有关,而且还与它们使用的金属芯印制板(MCPCB)的绝缘层、铜箔层以及焊接层的厚度有关,并导出了它们之间的关系。
2　金属芯印制板技术
金属芯印制板由美国Wesern Electric 公司于1963年首先研制成功的,至今已有30 年的发展历程。金属芯印制板利用铝等金属所拥有极佳的热传导性质,能有效地解决电子组件在轻薄短小的趋势下因电路感应度陡增或恶劣工作环境所带来的散热问题。其用途有以下几种:
(1)高转速产品:如马达、硬盘机等;
(2)高热产品:如高亮度手电筒、LED、大功率晶体管等;
(3)特殊设计:如高密度线路,大电源等。
用于LED的金属芯印制板结构见图1。
图1　金属芯印制板结构

3　模型的建立
SolidWorks是目前广泛使用的三维CAD /CAE /CAM软件,是完全基于W indows的CAD /CAE /CAM桌面集成系统,具有友好的用户界面,它采用了与UGⅡ相同的先进的底层图形核心技术,该技术是在Windows环境下生成的,充分利用和发挥了W indows的强大功能和OLE技术。Solid—Works具有强大的基于特征的参数化实体建模功能,通过特征来创建三维实体,并且可以对特征和草图进行动态修改,通过拖动操作进行设计修改,便于操作者通过计算机
明确表达自己的设计意图。在此用SolidWorks建立了用于LED的金属芯印制板模型见图2和图3,该MCPCB可供9只LED使用。

图2　建立的模型

图3　模型金属芯印制板各层结构
4　仿真分析
在仿真中设定以下参数:
符号最小值最大值
单个LED的发热温度( ℃) A 20 40
LED间距(mm) B 1. 7 6. 2
焊接层厚度(mm) C 0. 762 0. 254
铜箔厚度(mm) D 0. 01778 0. 07112
绝缘层厚度(mm) E 0. 1016 0. 2032
　　经仿真后得到图2中最中间的LED的最高温度
TLED与参数A、B、C、D、E之间的关系满足下式:
TLED = 61 +4. 74A - 2. 63B +0. 922C - 1. 15D +0. 346E + 1. 49B2
从中我们可以看出,对LED的最高温度TLED影响最大的参数是单个LED的发热温度A,但是当使用较多LED时,LED间的间距对TLED的也很大。同时,减小焊接层厚度和增大铜箔厚度会有利于LED的应用。
5　结论
通过以上的分析,我们可以看出,在较多LED应用的场合, LED 的发热不仅与LED 间的距离有关,而且还与它们使用的金属芯印制板(MCPCB)的绝缘层、铜箔层以及焊接层的厚度有关,在进行LED的设计中我们应该认识到这一点并引起足够的重视。
参考文献:
[ 1 ] 　Petroski, J. Thermal Challengs Facing New Generation LEDs for L ighting App lications, SP IE Proceedings Vol4776, 2003, pp 215～222
[ 2 ] 　Ark, M. et al. Thermal Challenges in Future Generation Solid State L ighting Applications: LEDs, Thermal and Tbermomechanical Phenomena in Electronic Systems,ITHERM 2002, pp 113～120
[ 3 ] 　林秀华. 崛起的新一代固体光源LED[ J ]. 现代物理知识, 2004, 16 (6) : 47～48
[ 4 ] 　詹为宇. 厚金属芯印制板成型工艺与应用[ J ]. 电讯技术, 1998, 36 (5) : 36～38
[ 5 ] 　陈慧. SolidWorks2001Plus软件二次开发中的标准化运用[ J ]. 纺织机械, 2004 (4) : 51～52