魏曉慧，曹建忠，廖天發(fā)，史洪宇，凌家良，彭 玲

（惠州學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，廣東 惠州 516002）

0 引言

功率型LED已在城市景觀、交通標(biāo)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(chǎng)邁進(jìn)。然而，隨著LED芯片輸入功率的不斷提高，大耗散功率帶來(lái)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(fù)合材料等[1]，其中由于復(fù)合材料成本低而得到廣泛的應(yīng)用。但是對(duì)于功率型LED來(lái)說(shuō)，復(fù)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(guó)內(nèi)外還處于研發(fā)階段。在金屬基板中，鋁基板由于其價(jià)格較低成為功率型LED燈提高散熱能力的首選，在國(guó)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(dǎo)率和較高的擊穿電壓，同時(shí)要求金屬電極與基板的結(jié)合力較強(qiáng)。

LED燈作為一種近年來(lái)的新型光源，高功率LED燈仍然處于研究發(fā)展階段。從文獻(xiàn)資料來(lái)看[2]，對(duì)高功率LED燈鋁基板的性能測(cè)試也處于研究階段，尚未形成一套完整的測(cè)試評(píng)價(jià)體系。國(guó)內(nèi)用于照明的大功率LED單面鋁基板，有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求耐高壓測(cè)試條件為電壓2 000 VAC漏電電流預(yù)置1.0 mA、測(cè)試時(shí)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(cè)試時(shí)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(hù)方案共同組成，因此PCB耐電壓性能測(cè)試成為燈具性能的一項(xiàng)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(jí)、燈具的額定工作電壓等要求來(lái)確定，同時(shí)還需要考慮基板的導(dǎo)熱率和導(dǎo)電金屬膜的結(jié)合力強(qiáng)度以及耐焊性等因素。因此LED燈用金屬鋁基板的性能測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)還有待于開發(fā)研究。

1 測(cè)試方法

目前常用的鋁基板由金屬導(dǎo)電層、導(dǎo)熱絕緣層及鋁基層三部分組成，如圖1所示。根據(jù)LED燈對(duì)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(cè)試主要為以下幾個(gè)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(dǎo)熱性能測(cè)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(dǎo)。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(duì)于鋁基板來(lái)說(shuō)，由于其金屬鋁與金屬散熱片有良好的導(dǎo)熱性能，因此LED散熱性能主要由鋁基板的導(dǎo)熱能力來(lái)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(dǎo)熱能力常用熱阻表征，也可以用熱導(dǎo)率（亦稱導(dǎo)熱系數(shù)）來(lái)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率互為倒數(shù)。由于鋁基板為典型的平板材料，因此其導(dǎo)熱能力可通過(guò)測(cè)量熱導(dǎo)率或熱阻來(lái)評(píng)價(jià)。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于導(dǎo)熱系數(shù)的檢測(cè)方法很多，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也較多。檢測(cè)樣本不同，對(duì)檢測(cè)方法的適用領(lǐng)域、測(cè)量范圍和精度的要求也不同。在檢測(cè)時(shí)，選擇合適的檢測(cè)方法至關(guān)重要。由于物理模型、試驗(yàn)方案和試驗(yàn)裝置的不同，各種導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)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(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法，如熱流法、平板法等。非穩(wěn)態(tài)法的原理是對(duì)處于熱平衡狀態(tài)的試樣施加某種干擾，同時(shí)檢測(cè)試樣對(duì)熱干擾的響應(yīng)，然后根據(jù)響應(yīng)曲線確定試樣的導(dǎo)熱性能，如熱線法、閃光法等。不同方法具有不同特點(diǎn)：

（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(dāng)熱線以恒定的功率加熱時(shí)，熱線和試樣的溫度會(huì)隨時(shí)間升高，根據(jù)溫度隨時(shí)間的變化的關(guān)系，可確定試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。在檢測(cè)固體材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，檢測(cè)樣品與熱線需要相隔一定距離，通過(guò)檢測(cè)熱線和樣板的溫度變化來(lái)測(cè)量樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，產(chǎn)生的誤差相對(duì)較大。適用于導(dǎo)熱系數(shù)小于2 W/m·K的各項(xiàng)同性質(zhì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定，也可檢測(cè)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(cè)出溫度隨時(shí)間的變化曲線，找準(zhǔn)背面溫升到最大溫升一半時(shí)所需要的時(shí)間，確定熱擴(kuò)散率，從而計(jì)算出材料導(dǎo)熱系數(shù)一種測(cè)量方法。該方法適用材料種類廣，如金屬、陶瓷、碳、半導(dǎo)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(diǎn)是檢測(cè)周期短（幾十秒），測(cè)量范圍寬0.1～2 000 W/m·K，測(cè)量溫度范圍大110～2 000℃，檢測(cè)試樣小，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度高。

（3）熱流法是測(cè)量被測(cè)材料的厚度、試樣兩側(cè)的溫差和通過(guò)試樣的熱流，根據(jù)導(dǎo)熱定律確定試材的導(dǎo)熱系數(shù)。適用于導(dǎo)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(shí)忽略了上下表面的接觸熱阻，使其精度不高，誤差較大，檢測(cè)周期較長(zhǎng)，不能檢測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)大的樣品。

（4）平板法是根據(jù)平板的導(dǎo)熱量Q和平板兩面的溫差、厚度和導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系來(lái)分析計(jì)算的。該方法測(cè)量準(zhǔn)確度高，最大特點(diǎn)是采用多個(gè)加熱器（主加熱器和輔加熱器）來(lái)控制熱量的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)，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(shí)在公式計(jì)算中采用有效面積來(lái)減小邊緣受熱不均產(chǎn)生的誤差。測(cè)量的溫度范圍大（可達(dá)600℃），測(cè)量準(zhǔn)確度較高（相對(duì)熱流法），一般量程可達(dá)2 W/m·K。

LED基板導(dǎo)熱系數(shù)的檢測(cè)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(dǎo)率有關(guān)，僅用構(gòu)成材料的熱導(dǎo)率還不能完全反映電路板的散熱性能，另外還受到來(lái)自表面輻射和對(duì)流的影響，而且電路板的熱傳導(dǎo)性具有不同的方向性[7]。與此同時(shí)還要考慮檢測(cè)條件，選擇接近實(shí)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(fù)雜性，假定散熱設(shè)計(jì)相同的情況下，通過(guò)對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外各種導(dǎo)熱系數(shù)的檢測(cè)方法，建立一種LED用鋁基板導(dǎo)熱系數(shù)的檢測(cè)方法。檢測(cè)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(jìn)行拓展，不用基板表面溫度的變化來(lái)反映基板導(dǎo)熱能力，而是通過(guò)固定熱源的熱阻變化來(lái)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(cè)數(shù)據(jù)，考量不同組合的基板的綜合散熱能力。檢測(cè)時(shí)，將試樣安裝在熱阻測(cè)試儀面方向和厚度方向的試驗(yàn)平臺(tái)上（如圖3），對(duì)試樣上安裝的標(biāo)準(zhǔn)熱源提供額定功率，待溫度達(dá)到正常狀態(tài)后，確認(rèn)面方向和厚度方向試驗(yàn)裝置的溫度，依據(jù)式（1）求得兩個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)。以面方向和厚度方向的測(cè)量值建立坐標(biāo)系對(duì)試驗(yàn)的散熱性能進(jìn)行分類，橫向?qū)Ρ?，?shí)現(xiàn)基板散熱能力的綜合評(píng)估。檢測(cè)方法統(tǒng)一熱源和試樣規(guī)格，保證基板綜合散熱能力評(píng)估的可對(duì)比性，同時(shí)也消除了熱源和試樣本身的熱消耗對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

圖3 熱阻測(cè)試儀實(shí)物圖Fig.3 Thermal resistance tester

1.2 耐壓測(cè)試

LED燈作為照明設(shè)備，需要設(shè)定一個(gè)絕緣安全指標(biāo)，而作為L(zhǎng)ED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(yàn)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(shí)間內(nèi)施加規(guī)定電壓，以此來(lái)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(guò)電位的能力，從而評(píng)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(yàn)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(guò)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(píng)價(jià)LED燈用鋁基板的絕緣安全性，可以通過(guò)測(cè)試其擊穿電壓來(lái)表征。

參閱文獻(xiàn)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(qiáng)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，僅講述了剛性印制電路板及其材料的耐高壓測(cè)試方法，沒(méi)有檢測(cè)金屬基板的耐高壓測(cè)試方法。文獻(xiàn)[3]給出的鋁基板測(cè)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(cè)試時(shí)間3 s。從LED燈對(duì)鋁基板的絕緣安全性能要求，以及工程設(shè)計(jì)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(diǎn)：（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(jì)；（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(duì)濕度。

圖4是典型的耐高壓?jiǎn)蚊驿X基板結(jié)構(gòu)圖[3]。鋁基耐高壓能力，除與設(shè)計(jì)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(cè)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?jiǎn)蚊驿X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(cè)試在國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有形成規(guī)范的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)目前國(guó)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(yáng)極化膜層擊穿電壓測(cè)試方法）[9]標(biāo)準(zhǔn)，選取LED燈用鋁基板擊穿電壓測(cè)試方法為：測(cè)試前對(duì)鋁基板表面用蘸有無(wú)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(cè)試條件為：電壓2 000 VAC、漏電電流預(yù)置1 mA、測(cè)試時(shí)間1 min。觀察膜層是否被擊穿，當(dāng)電壓在小于規(guī)定值的任一值或雖達(dá)到規(guī)定值，但不能持續(xù)1 min突然降到零時(shí)，說(shuō)明膜層已被擊穿，此值即為擊穿電壓。圖5是鋁基板單個(gè)獨(dú)立工作面和兩個(gè)工作面耐壓測(cè)試示意圖。

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

1.3 導(dǎo)電膜結(jié)合力測(cè)試

鋁基板導(dǎo)電膜與基板的結(jié)合強(qiáng)度也是一項(xiàng)重要指標(biāo)。由于膜基體系的多樣性與復(fù)雜性，現(xiàn)階段關(guān)于膜基結(jié)合強(qiáng)度的檢測(cè)方法多達(dá)300多種[10]，但總體上可歸納為兩大類，即定量測(cè)量與定性測(cè)量。其中定量測(cè)量以膜層脫落時(shí)的臨界載荷作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要有拉伸法、劃痕法、壓痕法、剝離法等方法。而定性測(cè)量以經(jīng)驗(yàn)判斷和比較為主，簡(jiǎn)單快速，一般以合格與不合格來(lái)評(píng)定，主要有劃格法、熱振實(shí)驗(yàn)法、彎曲實(shí)驗(yàn)等方法。每種檢測(cè)方法都有自身的局限性與不足。

LED燈用鋁基板要求導(dǎo)電膜不但具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，還要具有一定的抗熱應(yīng)力強(qiáng)度，也就是要具有抗熱和抗拉強(qiáng)度。因此鋁基板導(dǎo)電膜的結(jié)合力測(cè)試選用最簡(jiǎn)單的垂直拉伸法來(lái)定量測(cè)試，圖6是垂直拉伸法測(cè)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(duì)的影響，在測(cè)試前要對(duì)膜層表面通過(guò)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(qiáng)度必須要大于膜層與基材之間的結(jié)合強(qiáng)度，因?yàn)橹挥羞@樣才能保證脫落發(fā)生在膜層與基材之間；要選擇固化時(shí)間合適的黏結(jié)劑，如果固化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，很容易出現(xiàn)黏結(jié)劑的滲入，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 測(cè)試方法驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)LED燈用鋁基板的特性分析，以及鋁基板散熱、耐電壓和導(dǎo)電膜結(jié)合力測(cè)試方法的對(duì)比，確定了鋁基板的性能測(cè)試評(píng)價(jià)方法，并對(duì)試制的鋁基板進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。

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

（1）導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

采用美國(guó)Laser Comp公司生產(chǎn)的HC-074-200型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀，測(cè)量方式為熱流法。測(cè)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(dǎo)熱系數(shù)為0.8～1.0 W/m·K。

（2）擊穿電壓測(cè)試

采用7710耐壓測(cè)試儀，電壓范圍為0～12 kV，測(cè)試前用無(wú)紡布蘸95%無(wú)水乙醇對(duì)試件表面進(jìn)行除油擦拭，以保證表面無(wú)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(shí)間1 min。測(cè)得試件擊穿電壓為800 V。

（3）導(dǎo)電膜結(jié)合力測(cè)試

測(cè)試試件為Φ50的圓片，厚度為1 mm，導(dǎo)電膜直徑為Φ40。采用H50KT型號(hào)的拉力計(jì)測(cè)量拉力，粘接膠為環(huán)氧樹脂，測(cè)試前對(duì)試件表面用無(wú)紡布蘸用95%無(wú)水乙醇進(jìn)行擦拭清潔，以保證黏接牢靠，測(cè)得結(jié)合力為1 100 N/cm2。

測(cè)試結(jié)果均在試件預(yù)測(cè)技術(shù)范圍之內(nèi)。鋁基板的導(dǎo)熱系數(shù)（即導(dǎo)熱率）、擊穿電壓和導(dǎo)電膜的結(jié)合力為L(zhǎng)ED燈的絕緣等級(jí)評(píng)價(jià)，以及與其壽命評(píng)價(jià)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(cè)試方法能夠滿足LED燈性能評(píng)價(jià)的需求。

3 結(jié)論

通過(guò)分析LED燈用鋁基板的特性，以及對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)、絕緣耐壓測(cè)試和金屬膜結(jié)合力強(qiáng)度測(cè)試方法的比較，選擇確定了鋁基板關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試方法。通過(guò)實(shí)際測(cè)試應(yīng)用得到結(jié)論：

（1）散熱能力可以通過(guò)測(cè)量基板厚度方向和面方向的導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)得到；

（2）絕緣耐壓可以通過(guò)測(cè)量基板的擊穿電壓來(lái)評(píng)價(jià)；

（3）導(dǎo)電膜結(jié)合力能夠用垂直拉伸法來(lái)測(cè)量膜與基板拉脫力；

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

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