【專業(yè)分析】LED行業(yè)封裝熱點(diǎn)之COB散熱技術(shù)

所謂COB封裝(ChiponBoard)，是指LED芯片直接在基板上進(jìn)行綁定封裝。也就是指將N顆LED芯片綁定在金屬基板或陶瓷基板上，成為一個(gè)新的LED光源模組。通常是按電源設(shè)計(jì)要求，用多顆小芯片配置在一起，組成一個(gè)大功率的光源模組，再配合二次透鏡和散熱外殼的設(shè)計(jì)，來(lái)開(kāi)發(fā)電源效率高、散熱性能好、造價(jià)成本低的照明設(shè)備。

　　眾所周知，由于芯片結(jié)溫的高低直接影響到LED出光效率、色度漂移和器件壽命等參數(shù)，如何提高封裝器件散熱能力、降低芯片溫度成為COB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。針對(duì)大功率COBLED的封裝散熱難題，通常通過(guò)多顆LED芯片合理的排列，選擇合適的基板可以得到有效的解決。本文主要是針對(duì)元暉光電開(kāi)發(fā)的電源相對(duì)應(yīng)的COB模組進(jìn)行熱分析。探討了LED芯片排列，陶瓷基板(Al2O3基板，AlN基板)及金屬基板(鋁基板，銅基板)對(duì)芯片溫度的影響。

　　元暉光電所開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)控制開(kāi)關(guān)重新組合LED串接方式的電源，把88顆芯片分為3串(LED1，LED2，LED3)，如圖1。

　　其中LED1中有59顆，功耗為76.4%；LED2中有15顆，功耗為14.8%；LED3中有14顆，功耗為8.7%.假設(shè)88顆芯片的總功耗為7.4W，那么可以計(jì)算出這3串芯片的每顆芯片的功耗如表1所示。可以看到，在LED1中，每顆芯片的功耗為：0.0958W；在LED2中每顆芯片的功耗為：0.0732W；在LED3中每顆芯片的功耗為：0.0462W.顯然，這三串的芯片的單顆功耗不是均等的，LED1中的芯片單顆功耗是LED3中的兩倍。這樣可能會(huì)引起芯片的結(jié)溫不同，從而導(dǎo)致壽命不同。下面我們通過(guò)模擬來(lái)分析如何減小這種由于芯片單顆功耗分配不均所引起的溫度差異。

　　從圖1可以看出，88顆芯片要用一條線串起來(lái)，同時(shí)還要有4根線連到芯片排列組合的外圍，用來(lái)配合電源連接。這里假設(shè)陶瓷基板構(gòu)成(結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2)：陶瓷基材的尺寸為10mmx10mmx0.5mm(其中，中心5mmx5mm為芯片所占區(qū)域，周邊2.5mm寬度的區(qū)域是為安置4個(gè)焊盤(pán)所需)。上面有一層銅(厚度為30um)；金屬基板的構(gòu)成(結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖3)：基材尺寸為10mmx10mmx1mm，絕緣層厚度為75um，銅層厚度為35um，所用的芯片為CREE的DA3547。

　　我們先按常規(guī)方法排列芯片，如圖4所示，LED1中的59顆高功耗芯片用紅色表示，LED2中的15顆芯片用綠色表示，LED3中的14顆低功耗的芯片用藍(lán)色表示。然后把這個(gè)COB基板固定在一塊鋁板(厚度1.2mm，直徑50mm)，這個(gè)鋁板主要用于代替球泡燈的散熱外殼(圖5.)，我們假設(shè)鋁板的邊緣溫度63.8攝氏度(相當(dāng)于球泡燈的外殼溫度)，同時(shí)假設(shè)鋁板對(duì)應(yīng)芯片所在的表面及芯片的外表面對(duì)外的熱交換系數(shù)為5W/C.m2，環(huán)境溫度為25oC，其他表面絕熱。芯片的熱功耗參數(shù)參見(jiàn)表1.那么我們先使用SolidWorksSimulation進(jìn)行模擬，計(jì)算一下在Al2O3基板上，這種常規(guī)排列的芯片的溫度分布如何？從圖6可以看到，芯片的最高溫度為88.5oC(在LED1串中)，最低溫度為75oC(在LED3串中)，這樣在這組COB基板上的不同芯片之間就存在13.5oC的溫差，這將導(dǎo)致他們的壽命不同。

　　我們從溫度分布圖(圖6)可以想到一種更合理的芯片排列圖，就是把LED1串中高功耗的芯片盡量排在溫度低外圈，LED3串低功耗的芯片排在溫度高的內(nèi)圈，同時(shí)要考慮芯片排列要滿足圖1電源設(shè)計(jì)的要求，因此我們有了如圖7所示的更合理排列。同樣，我們計(jì)算了在Al2O3基板上，這種排列的溫度分布(圖8.)，結(jié)果表明：芯片的最高溫度為83.3oC(在LED1串中)，最低溫度為74.9oC(在LED3串中)，所以這組COB基板上的不同芯片之間就存在8.4度的溫差，比常規(guī)排列降低了5°。

　　那么我們來(lái)看看這兩種排列在不同的基板上會(huì)有什么影響？表2列出了陶瓷基板(Al2O3，AlN)，金屬基板(鋁基板，銅基板)主要參數(shù)。其中金屬基板的參數(shù)參見(jiàn)Bergquist公司金屬基板MP-06503模擬結(jié)果參見(jiàn)表3及圖9~14。

　　上面分析的都是針對(duì)芯片分布區(qū)域?yàn)?mmx5mm，由于熱源比較集中，會(huì)導(dǎo)致芯片溫度比較高，如果我們把芯片排滿整個(gè)Al2O3基板10mmx10mm的區(qū)域，芯片的溫度會(huì)如何？圖15給出了芯片按常規(guī)排列，分布區(qū)域?yàn)?0mmx10mm的分布圖。然后把這個(gè)基板放在同圖5同樣的環(huán)境中模擬，可以得到溫度分布圖(如圖16所示)。然后把這兩種不同分布區(qū)域的結(jié)果列入表4。從表4我們可以看到，芯片分布區(qū)域10mmx10mm相對(duì)于分布區(qū)域5mmx5mm的溫度分布得到大大的改善。