LED灯铝基板的测试评价技术研究

2018-04-24魏晓慧曹建忠廖天发史洪宇凌家良

真空与低温 2018年1期

魏晓慧，曹建忠，廖天发，史洪宇，凌家良，彭玲

（惠州学院电子信息与电气工程学院，广东惠州 516002）

0 引言

功率型LED已在城市景观、交通标志、LCD背光源、汽车照明、广告牌等特殊照明领域得到应用，并向普通照明市场迈进。然而，随着LED芯片输入功率的不断提高，大耗散功率带来的大发热量及高的出光效率给LED的封装材料提出了更新、更高的要求。目前LED常用的基板材料有硅、金属（如铝、铜等）、陶瓷（如Al203、AlN）和复合材料等[1]，其中由于复合材料成本低而得到广泛的应用。但是对于功率型LED来说，复合材料基板由于其散热性能较差而不能满足要求，而金属基板虽然散热性能较好，但难度大，技术不成熟，成本较高，在国内外还处于研发阶段。在金属基板中，铝基板由于其价格较低成为功率型LED灯提高散热能力的首选，在国内外相关领域得到广泛研究。根据功率型LED灯散热特性需求，需要铝基板具有较高的热导率和较高的击穿电压，同时要求金属电极与基板的结合力较强。

LED灯作为一种近年来的新型光源，高功率LED灯仍然处于研究发展阶段。从文献资料来看[2]，对高功率LED灯铝基板的性能测试也处于研究阶段，尚未形成一套完整的测试评价体系。国内用于照明的大功率LED单面铝基板，有企业标准要求耐高压测试条件为电压2 000 VAC漏电电流预置1.0 mA、测试时间3 s[3]。而欧洲明确规定灯具类耐电压为3 750 VAC、漏电电流为0.5 mA、测试时间1～3 s，此要求指的是灯具整体耐电压要求而不是指基板PCB的耐电压要求。灯具耐电压性能是由PCB耐电压性能和灯具绝缘防护方案共同组成，因此PCB耐电压性能测试成为灯具性能的一项重要参数。依据GB70001-2007规定PCB耐电压应是2U+1 000 V（U指额定工作电压）[4]，可见LED灯基板的耐电压需要根据灯具的绝缘等级、灯具的额定工作电压等要求来确定，同时还需要考虑基板的导热率和导电金属膜的结合力强度以及耐焊性等因素。因此LED灯用金属铝基板的性能测试评价技术还有待于开发研究。

1 测试方法

目前常用的铝基板由金属导电层、导热绝缘层及铝基层三部分组成，如图1所示。根据LED灯对铝基板的技术要求及铝基板的结构，铝基板的性能测试主要为以下几个方面。

图1 铝基板的基本结构图Fig.1 Basic structure of aluminum substrate

1.1 导热性能测试

图2是大功率LED芯片常用的两种散热形式。散热性能与结构、散热片、电气连接基板以及LED芯片焊接热阻等有关。由图可知，热量主要是从LED封装模块向散热器传导。所以LED散热技术的关键环节就是基板和黏结材料[5]。对于铝基板来说，由于其金属铝与金属散热片有良好的导热性能，因此LED散热性能主要由铝基板的导热能力来决定。

图2 LED芯片两种散热形式图Fig.2 LED chips two forms of heat dissipation）

LED用铝基板的导热能力常用热阻表征，也可以用热导率（亦称导热系数）来表征。热阻是在稳态下流经材料单位热流密度所产生的冷、热面的温度差，板式材料的热阻由式（1）表示[6]：

而热导率是在稳态下材料内垂直于等温面方向形成单位温度梯度的热流密度，由式（2）表示：

式中：R为热阻，m2·℃/W；λ为热导率，W/m·℃；Φ为热流量，W；A为垂直于温度梯度方向的截面积，m2；δ为垂直于等温方向的材料厚度，m；t1、t2为材料冷、热面温度，℃。

由式（1）、式（2）可知R=δ/λ，可见单位厚度材料的热阻与热导率互为倒数。由于铝基板为典型的平板材料，因此其导热能力可通过测量热导率或热阻来评价。

目前国内外关于导热系数的检测方法很多，相关的标准也较多。检测样本不同，对检测方法的适用领域、测量范围和精度的要求也不同。在检测时，选择合适的检测方法至关重要。由于物理模型、试验方案和试验装置的不同，各种导热系数的测定方法按照热流状态可分为稳态法和非稳态法两种。稳态法是经典的保温材料的导热系数测定方法，如热流法、平板法等。非稳态法的原理是对处于热平衡状态的试样施加某种干扰，同时检测试样对热干扰的响应，然后根据响应曲线确定试样的导热性能，如热线法、闪光法等。不同方法具有不同特点：

（1）热线法是在均匀的各向同质的试样中放置1根电阻丝，即“热线”，当热线以恒定的功率加热时，热线和试样的温度会随时间升高，根据温度随时间的变化的关系，可确定试样的导热系数。在检测固体材质的导热系数时，检测样品与热线需要相隔一定距离，通过检测热线和样板的温度变化来测量样品的导热系数，产生的误差相对较大。适用于导热系数小于2 W/m·K的各项同性质材料的导热系数的测定，也可检测体积大的样品。

（2）闪光法是将具备一定能量的脉冲光照射到厚度为d的薄圆片试样表面，在试样背面测出温度随时间的变化曲线，找准背面温升到最大温升一半时所需要的时间，确定热扩散率，从而计算出材料导热系数一种测量方法。该方法适用材料种类广，如金属、陶瓷、碳、半导体等均质性材料，目前已经成为非稳态法中应用最为广泛的方法。闪光法最大的特点是检测周期短（几十秒），测量范围宽0.1～2 000 W/m·K，测量温度范围大110～2 000℃，检测试样小，测量结果准确度高。

（3）热流法是测量被测材料的厚度、试样两侧的温差和通过试样的热流，根据导热定律确定试材的导热系数。适用于导热系数较小的固体材料、纤维材料和多孔隙材料。该方法存在横向热损失，同时忽略了上下表面的接触热阻，使其精度不高，误差较大，检测周期较长，不能检测导热系数大的样品。

（4）平板法是根据平板的导热量Q和平板两面的温差、厚度和导热系数的关系来分析计算的。该方法测量准确度高，最大特点是采用多个加热器（主加热器和辅加热器）来控制热量的稳态传导，从而减小环境温度和侧面散热的影响，确保主加热器产生的热量能有效的传给试件；同时在公式计算中采用有效面积来减小边缘受热不均产生的误差。测量的温度范围大（可达600℃），测量准确度较高（相对热流法），一般量程可达2 W/m·K。

LED基板导热系数的检测方法要考虑基板材料的特性，电路板的散热性能与基材的热导率有关，仅用构成材料的热导率还不能完全反映电路板的散热性能，另外还受到来自表面辐射和对流的影响，而且电路板的热传导性具有不同的方向性[7]。与此同时还要考虑检测条件，选择接近实际使用环境，采用与LED大小程度基本相同的参照热源温度，以及热源温度精度的保证等因素。

考虑到LED散热能力因素的复杂性，假定散热设计相同的情况下，通过对比分析国内外各种导热系数的检测方法，建立一种LED用铝基板导热系数的检测方法。检测方法基于稳态法的思想，在传统稳态法的基础上进行拓展，不用基板表面温度的变化来反映基板导热能力，而是通过固定热源的热阻变化来反映基板的热物理性能。依据面方向和厚度方向导热系数的检测数据，考量不同组合的基板的综合散热能力。检测时，将试样安装在热阻测试仪面方向和厚度方向的试验平台上（如图3），对试样上安装的标准热源提供额定功率，待温度达到正常状态后，确认面方向和厚度方向试验装置的温度，依据式（1）求得两个方向的导热系数。以面方向和厚度方向的测量值建立坐标系对试验的散热性能进行分类，横向对比，实现基板散热能力的综合评估。检测方法统一热源和试样规格，保证基板综合散热能力评估的可对比性，同时也消除了热源和试样本身的热消耗对检测结果的影响。

图3 热阻测试仪实物图Fig.3 Thermal resistance tester

1.2 耐压测试

LED灯作为照明设备，需要设定一个绝缘安全指标，而作为LED芯片安装支撑的基板是确定绝缘性能的主要因素。介质耐压试验是在相互绝缘的部件之间或绝缘的部件与地之间，在规定时间内施加规定电压，以此来确定元件在额定电压下能否安全工作；能否耐受由于开关、浪涌及其他类似现象所致的过电位的能力，从而评定元件绝缘材料或绝缘间隙是否合适。如果元件有缺陷，则在施加试验电压后，必然产生击穿放电或损坏。击穿电压表现为飞狐（表面放电）、火花放电（空气放电）或击穿（击穿放电）现象。过大漏电流可能引起电参数或物理性能的改变[8]。同样，为了合理评价LED灯用铝基板的绝缘安全性，可以通过测试其击穿电压来表征。

参阅文献IPC-TM-650/2.5.6（刚性印制电路板材料的击穿电压）、IPC-TM-650/2.5.6.2（刚性印制电路板的击穿强度）、IPC-TM-650/2.5.7（刚性线路材料的介质耐电压）、IPC-6012/3.8.1（印制电路板的耐电压）与击穿电压及耐高压相关的IPC测试标准，仅讲述了刚性印制电路板及其材料的耐高压测试方法，没有检测金属基板的耐高压测试方法。文献[3]给出的铝基板测试条件为电压2 000 VAC（AC为交流，DC为直流）、漏电电流预置1 mA、测试时间3 s。从LED灯对铝基板的绝缘安全性能要求，以及工程设计和生产控制方法分析，可以得出影响击穿电压的主要因素有五点：（1）介质材料的绝缘系数与介质厚度；（2）耐高压铝基板的图形设计；（3）阻焊层的厚度；（4）耐高压铝基板的表面清洁程度；（5）耐高压铝基板的表面相对湿度。

图4是典型的耐高压单面铝基板结构图[3]。铝基耐高压能力，除与设计图形有关外，还与铝基板图形线路上涂覆的阻焊层厚度有关，为保障耐高压效果，阻焊层厚度必须保证在10 um以上。耐击穿电压能力还跟铝基板的表面清洁程度有关，因此电测试前必须使DI水洗清洁板面，保证板面清洁，而且还要保证板面的湿度。

图4 典型的耐高压单面铝基板结构图Fig.4 Reference drawing of typical high voltage resistant single aluminum substrate）

综上所述，LED灯用铝基板的耐压测试在国内外还没有形成规范的测试标准。根据目前国内LED灯用铝基板的技术现状，参照QJ483-90（铝及铝合金绝缘阳极化膜层击穿电压测试方法）[9]标准，选取LED灯用铝基板击穿电压测试方法为：测试前对铝基板表面用蘸有无水乙醇的脱脂棉布擦拭，去除表面油污，并在120℃下烘烤20～30 min，以保证其表面干净干燥；测试条件为：电压2 000 VAC、漏电电流预置1 mA、测试时间1 min。观察膜层是否被击穿，当电压在小于规定值的任一值或虽达到规定值，但不能持续1 min突然降到零时，说明膜层已被击穿，此值即为击穿电压。图5是铝基板单个独立工作面和两个工作面耐压测试示意图。

图5 铝基板耐压测试示意图Fig.5 Sketch map of aluminium substrate withstand voltage test

1.3 导电膜结合力测试

铝基板导电膜与基板的结合强度也是一项重要指标。由于膜基体系的多样性与复杂性，现阶段关于膜基结合强度的检测方法多达300多种[10]，但总体上可归纳为两大类，即定量测量与定性测量。其中定量测量以膜层脱落时的临界载荷作为评价指标，主要有拉伸法、划痕法、压痕法、剥离法等方法。而定性测量以经验判断和比较为主，简单快速，一般以合格与不合格来评定，主要有划格法、热振实验法、弯曲实验等方法。每种检测方法都有自身的局限性与不足。

LED灯用铝基板要求导电膜不但具有良好的导电、导热性能，还要具有一定的抗热应力强度，也就是要具有抗热和抗拉强度。因此铝基板导电膜的结合力测试选用最简单的垂直拉伸法来定量测试，图6是垂直拉伸法测试示意图。

图6 垂直拉伸法示意图Fig.6 Sketch of vertical stretching method

垂直拉伸法易受膜层缺陷、膜层表面状态和试样位置对的影响，在测试前要对膜层表面通过放大镜观察，选择表面状态良好的试件。选用黏结剂的黏结强度必须要大于膜层与基材之间的结合强度，因为只有这样才能保证脱落发生在膜层与基材之间；要选择固化时间合适的黏结剂，如果固化时间过长，很容易出现黏结剂的渗入，影响测量结果的准确性。