【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)開發(fā)電源效率高、散熱性能好、造價(jià)成本低的照明設(shè)備。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/222181.htm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。
元暉光電所開發(fā)的動(dòng)態(tài)控制開關(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??梢钥吹剑贚ED1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Bergquist公司金屬基板MP-06503模擬結(jié)果參見表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。
評(píng)論