【專(zhuān)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。通常是按電源設計要求，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計，來(lái)開(kāi)發(fā)電源效率高、散熱性能好、造價(jià)成本低的照明設備。

　　眾所周知，由于芯片結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，如何提高封裝器件散熱能力、降低芯片溫度成為COB結構設計中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節。針對大功率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。本文主要是針對元暉光電開(kāi)發(fā)的電源相對應的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88顆芯片的總功耗為7.4W，那么可以計算出這3串芯片的每顆芯片的功耗如表1所示?？梢钥吹?，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 )引起芯片的結溫不同，從而導致壽命不同。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(xiàn)串起來(lái)，同時(shí)還要有4根線(xiàn)連到芯片排列組合的外圍，用來(lái)配合電源連接。這里假設陶瓷基板構成(結構參見(jiàn)圖2)：陶瓷基材的尺寸為10mmx10mmx0.5mm(其中，中心5mmx5mm為芯片所占區域，周邊2.5mm寬度的區域是為安置4個(gè)焊盤(pán)所需)。上面有一層銅(厚度為30um)；金屬基板的構成(結構參見(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.)，我們假設鋁板的邊緣溫度63.8攝氏度(相當于球泡燈的外殼溫度)，同時(shí)假設鋁板對應芯片所在的表面及芯片的外表面對外的熱交換系數為5W/C.m2，環(huán)境溫度為25oC，其他表面絕熱。芯片的熱功耗參數參見(jiàn)表1.那么我們先使用SolidWorksSimulation進(jìn)行模擬，計算一下在A(yíng)l2O3基板上，這種常規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圈，同時(shí)要考慮芯片排列要滿(mǎn)足圖1電源設計的要求，因此我們有了如圖7所示的更合理排列。同樣，我們計算了在A(yíng)l2O3基板上，這種排列的溫度分布(圖8.)，結果表明：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。其中金屬基板的參數參見(jiàn)Bergquist公司金屬基板MP-06503模擬結果參見(jiàn)表3及圖9~14。

　　上面分析的都是針對芯片分布區域為5mmx5mm，由于熱源比較集中，會(huì )導致芯片溫度比較高，如果我們把芯片排滿(mǎn)整個(gè)Al2O3基板10mmx10mm的區域，芯片的溫度會(huì )如何？圖15給出了芯片按常規排列，分布區域為10mmx10mm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域的結果列入表4。從表4我們可以看到，芯片分布區域10mmx10mm相對于分布區域5mmx5mm的溫度分布得到大大的改善。