突破散熱與光學(xué)瓶頸　COB封裝打造優(yōu)質(zhì)LED照明 (

　　表3　模擬與實(shí)驗結果的比較

　　

　　透過(guò)CFD軟件做溫度仿真

　　使用CFD軟件Flotherm作為溫度仿真，Flotherm采用有限值法解決方案，并以方程式來(lái)描述物質(zhì)轉換、瞬間以及三度空間的流動(dòng)能量。

　　基本條件假設

　　在進(jìn)行CFD分析時(shí)，假設有三維空間、穩定狀態(tài)、氣流速度為0.2m/s、空氣特性穩定、環(huán)境溫度為25℃、運算范圍為400毫米×400毫米×150毫米以及熱透過(guò)正常對流以及傳導與輻射方式散熱的情況。

　　COB封裝以及搭配散熱片COB封裝模型的整體閘格單元數分別接近四十萬(wàn)與一百六十萬(wàn)，在閘格設置建議于散熱片的鰭片之間，至少使用三個(gè)單元。

　　LED模塊模型建立

　　芯片、鋁質(zhì)反射器、硅樹(shù)脂封裝、散熱片以及芯片黏著(zhù)層都以單一立體方塊來(lái)架構模型，使用立體方塊的重點(diǎn)是其永遠包含一或多個(gè)有限數量的閘單元，此代表每一方塊所代表的物質(zhì)溫度均以每一獨立閘單元計算。

　　在芯片黏著(zhù)層上總共有五十個(gè)芯片，每個(gè)紅色芯片以0.5毫米寬×0.5毫米長(cháng)×0.225毫米高的方塊來(lái)代表，每個(gè)綠色與藍色芯片則以0.376毫米寬×0.376毫米長(cháng)×0.25毫米高代表，并在紅色芯片的頂部以及綠色與藍色芯片的底部表面加入五十個(gè)不同功率的發(fā)熱源，其中藍色與綠色芯片采用覆芯片方式。

　　由于LED的高密度搭配超薄的芯片黏著(zhù)層，因此要完成模擬需要較長(cháng)的計算時(shí)間，而這樣詳細的溫度模型在模塊出現于大系統模型下通常不太實(shí)際，因此將詳細模型簡(jiǎn)化成搭配散熱片COB封裝的精簡(jiǎn)模型，將可以有效縮短計算時(shí)間。

　　對精簡(jiǎn)模型來(lái)說(shuō)，芯片黏著(zhù)層的五十個(gè)芯片以單一正方形方塊取代，表4顯示沒(méi)有使用在精簡(jiǎn)模型中的溫度特性，芯片的新等效溫度特性則由詳細模型的結果取得。

　　此外，介電層、銅箔走線(xiàn)、基體上的焊接材料以及導熱膠帶都加以記錄考慮，這些材料的熱傳導能力由表3中所列出的文件中取得，在具備經(jīng)陽(yáng)極化處理鋁材料散熱片中并考慮了輻射效應。

　　熱阻的計算

　　熱流會(huì )垂直通過(guò)芯片、芯片黏著(zhù)層，介電層接著(zhù)直通到基體，每個(gè)獨立芯片就形成并聯(lián)的熱阻，由芯片到基體的整體熱阻值Rjb-T可透過(guò)以下方程序取得：

　　1/Rjb-T=X/Rjb-R+Y/Rjb-G+Z/Rjb-B　　　　(1)

　　其中X、Y、Z分別為紅、綠與藍光LED的芯片數，Rjb-R、Rjb-G與Rjb-B的熱阻可以使用以下方程式進(jìn)行計算：
　　Rjb=TJunction–TBoard/Power　　　　(2)

　　圖1中包含二十個(gè)紅色芯片、二十個(gè)綠色芯片與十個(gè)藍色芯片的COB封裝熱阻可由下列方程式表示：

　　1/Rjb=20/Rjb(R)+20/Rjb(G)+10/Rjb(B)

　　Rjb=1/[20/Rjb(R)+20/Rjb(G)+10/Rjb(B)]　　　　(3)

　　其中模擬結果Rjb(R)=100oC/W，Rjb(G)= Rjb(R)則為80oC/W，以這樣的結果為基礎，整體熱阻計算值為1.74oC/W，接近2oC/W。

　　CFD模擬的結果與比較

　　圖4顯示在相同電路板溫度下仿真與實(shí)驗結果的比較，它包含有頂部發(fā)光型COB封裝，側面發(fā)光型COB封裝以及搭配散熱片的側面發(fā)光型COB封裝，其中前兩個(gè)封裝以詳細模型進(jìn)行，而最后一個(gè)則使用精簡(jiǎn)模型技術(shù)，原因是封裝上額外搭配的散熱片須要考慮更多的閘單元，因此會(huì )拉長(cháng)計算時(shí)間，此外，在文中也想要證明精簡(jiǎn)模型的結果事實(shí)上并不會(huì )與詳細模型有太大的差異。

　　圖1的頂部與側面發(fā)光型COB封裝使用相同的MCPCB設計，但采用不同的鋁反射器設計，不過(guò)側面發(fā)光型COB封裝由于擁有較大的反射區可協(xié)助散熱，因此預料側面發(fā)光型COB封裝的電路板溫度仿真結果將低于頂部發(fā)光型COB封裝，此推論也經(jīng)由實(shí)際測量數據與仿真結果取得驗證。

圖9與圖10分別提供側面發(fā)光型COB封裝以及搭配散熱片COB封裝的可視化模擬結果。

圖9　側面發(fā)光型COB包裝的可視化結果

圖10　搭配散熱片側面發(fā)光型COB包裝的可視化結果

　　由圖4可以得知，詳細與精簡(jiǎn)模型的仿真結果事實(shí)上都接近于實(shí)際測量結果，此清楚的顯示出，模塊封裝的精簡(jiǎn)模型可適用于系統級設計，有助于縮短設計時(shí)間。

　　COB封裝符合LED照明應用期待

　　COB封裝技術(shù)帶來(lái)每單位區域LED光源封裝設計上更加精簡(jiǎn)或照明度更高的輸出，低熱阻以及正確的封裝材料選擇帶來(lái)令人驚艷的光輸出以及更長(cháng)的壽命，此外，即插即用的功能也讓COB封裝的組裝程序能夠和CCFL類(lèi)似。

　　精簡(jiǎn)或簡(jiǎn)化的模型仿真結果與實(shí)際測量結果相當接近，此證明可透過(guò)節省CFD模擬時(shí)間與耗用資源帶來(lái)更快的設計周期，照明設備制造商可在設計中使用簡(jiǎn)化的CFD仿真模型來(lái)決定適合的溫度管理系統。

　　COB LED封裝不僅擁有比傳統離散式LED組件封裝更佳的效能，還能夠簡(jiǎn)化溫度管理來(lái)簡(jiǎn)化系統級的設計，可以說(shuō)是幫助LED符合照明市場(chǎng)需求的理想解決方案。