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技术好文 | 基于LED不同封装类型散热分析

NTK散热

2022-05-23

导读：倒装结构凭借良好的散热性能，是否能取代正装结构ＣＯＢ封装？

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摘要

应市场要求，ＬＥＤ芯片功率不断增大，导致ＬＥＤ工作时结温升高，因此对产品的散热性能要求也越来越高。综合分析目前市场上ＬＥＤ灯的不同封装类型及研究现状后，本文基于Ｆｌｕｅｎｔ有限体积方法对ＬＥＤ的ＳＭＤ（表面贴片）封装和ＣＯＢ（板上芯片）封装进行散热分析。 结果表明：３种不同结构的ＣＯＢ封装中，倒装ＣＯＢ封装散热效果最好，垂直结构ＣＯＢ封装次之，最后是正装ＣＯＢ封装，但无论哪种结构的ＣＯＢ封装，其散热效果均优于ＳＭＤ封装。研究发现，随着基板尺寸的增大，３种结构ＣＯＢ封装的结温逐渐减小，但ＬＥＤ结温变化率也随基板尺寸增大而减小，散热效果提升不明显。

关键词

-ＬＥＤ-

- 封装 -

-ＣＯＢ-

- 结温 -

- 散热 -

- 热阻 -

引言

发光二极管（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ，ＬＥＤ）作为光源由于寿命长，体积小，能耗低，发光效率高等优点，逐渐代替传统光源成为目前照明市场上的主流产品。凭借良好的性能、对环境的友好性，ＬＥＤ广泛应用于一般照明、道路照明、汽车照明、液晶显示屏等方面，也逐渐向生物、医疗等领域拓展，并取得了很大进展。目前ＬＥＤ产品性能还有很大的提升空间，ＬＥＤ高结温对于ＬＥＤ各方面的性能有着巨大影响，具体表现在使用寿命、正向电压、发光波长、发光效率、荧光粉效率、光通量等方面。

ＬＥＤ结温产生的内部因素有两个。 一是内部量子效率不高，即电子和空穴复合时，不能全部产生光子，其中一部分转化为热能散失。 二是外部量子效率不高，ＬＥＤ芯片内部产生的光子无法全部辐射到芯片外部而最后转化为热量，这是ＬＥＤ产生热量的主要原因。外界因素如增大环境温度和加大电流注入率也会增大ＬＥＤ结温。ＬＥＤ结温升高，热量却不能及时散失将会影响ＬＥＤ性能，甚至可能导致ＬＥＤ芯片永久损坏，不能使用。因此ＬＥＤ散热问题引起了研究者的广泛关注。 通过增加散热来降低ＬＥＤ结温从而提高ＬＥＤ安全性、可靠性以及各方面性能成为ＬＥＤ灯具研究必不可少的一项。

目前ＬＥＤ散热主要分为ＬＥＤ封装级散热、ＬＥＤ芯片级散热、ＬＥＤ系统级散热３种方式。

ＬＥＤ芯片的封装方式经历了插针式（ＤＩＰ）、贴片式（ＳＭＤ）和板上芯片式（ＣＯＢ）等封装结构。关于ＣＯＢ封装散热的研究已经很充分，目前得到了广泛的应用。文尚胜等采用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对同时采用ＣＯＢ技术和共晶焊工艺的大功率ＬＥＤ热特性进行了分析。结合二者可有效地提高大功率ＬＥＤ的散热性能。张剑平等利用电压法测量并分析了金属铝基板和氧化铝陶瓷基板的大功率ＣＯＢＬＥＤ光源散热性能，在相同条件下，采用金属铝基板的ＣＯＢＬＥＤ光源热阻更小，散热性能更优。

ＬＥＤ芯片产生的热量通过基板以及散热器基体传到翅片，翅片上的热量再通过热对流以及热辐射与空气进行热量交换，最终将热量散发到空气中。由于芯片热量向基板传输时需要经过蓝宝石衬底，其中蓝宝石衬底的导热性能较差，导致热量无法快速传递到基板，以至于不能尽快散失，主要聚集在有源层与蓝宝石衬底的交界面处，影响了芯片的性能。同时蓝宝石衬底不导电，电极只能在同一端，存在电流扩展问题。通过改变芯片的结构，如利用ＬＥＤ倒装、垂直结构以及改变芯片材料进行散热也取得了良好的效果。陈茂兴等利用（ＦＥＭ）三维有限元仿真对于传统倒装芯片与平面倒装芯片进行分析，平面倒装芯片有更低的结温和热阻，提供了更好的散热效果。除了改变芯片的结构，还可以改变芯片各层的材料等进行散热优化。 白坤通过对于不同功率密度下不同点的温度分布进行监控，研究了石墨烯界面材料和传统导热硅脂材料的散热情况，石墨烯界面材料的综合热学性能更加优异。 同时对于石墨烯界面材料设置老化试验，更加体现了该材料的良好性能。 罗元等通过分析倒装焊ＬＥＤ的焊球材料、衬底黏结材料和芯片内部热沉材料对芯片结温的影响，得出衬底黏结材料对ＬＥＤ的结温影响最大，并且封装材料热传导系数的变化率与封装结构的传热厚度成反比，与传热面积成正比。

ＬＥＤ系统级散热是在一个系统内完成对于多个芯片的封装，并将散热系统，驱动电路等集成在一起，构成一个系统。 系统集成度高，封装兼容性好，将是以后封装发展的趋势。 尚洁等在研究时运用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ建模，构建出集成热源、热管、热沉三个主要部分的大功率ＬＥＤ三维散热模型，运用ＦＬｏＥＦＤ来进行热仿真，通过分析对比得出在ＬＥＤ功率相同的情况下减小热管的有效热阻可以提升大功率ＬＥＤ的散热效果。张阔等通过ＡＮＳＹＳ有限元分析软件两种结构得出倒装ＬＥＤ片式光源的散热效果较正装片式光源模组更好。 同时倒装ＬＥＤ片式光源基板，可以用于ＬＥＤ串联模组，改变铜电极的数量可以用于不同ＬＥＤ输入电压的需求，可以用于大功率倒装ＬＥＤ芯片。

综上，对于ＬＥＤ封装方式而言，ＬＥＤ散热受多种因素的影响。若要减小高结温对ＬＥＤ各方面性能的影响，应该仔细选取ＬＥＤ散热方式。 本文通过Ｆｌｕｅｎｔ软件进行模拟仿真，在自然对流散热情况下，对ＳＭＤ封装和ＣＯＢ封装结构的散热性能进行对比分析。同时在ＣＯＢ封装结构下，针对正装、倒装、垂直结构的芯片进行对比分析，为实际研究提供技术支持。

模型构建

1.1 物理模型

ＣＯＢ封装与ＳＭＤ封装的外封装层主要采用环氧树脂为材料。环氧树脂的导热系数很小，一般只有０．２Ｗ／（ｍ·Ｋ）左右，热阻很大。故ＬＥＤ芯片产生的热量很难从外封装层散发出去，绝大部分热量通过热传导传递到基板，再由基板与周围环境进行热量交换。因此在仿真时将外封层环氧树脂设置为绝热边界条件，在自然对流情况下，只通过基板与周围环境进行热量交换最终达到动态平衡。 同时为了便于模拟仿真，需将两种封装结构进行简化，简化后结构如图所示，图１为ＳＭＤ封装结构，ＬＥＤ芯片简化成有源层（发光，发热层）和蓝宝石衬底，通过铜热沉用固晶胶与铝基板连接。图２为ＣＯＢ封装的正装结构，图３为ＣＯＢ封装的倒装结构，图４为ＣＯＢ封装垂直结构，不再一一赘述。

图1：SMD封装

图2：COB正装结构封装

图3：COB倒装结构封装

图4：COB垂直结构封装

1.2 数学模型

模型中热量传递的方式主要是：热传导、热对流，还有很小一部分热辐射。 正常情况下，ＬＥＤ芯片通过热辐射散发的热量很小，本文不做热辐射的相关探究。根据能量守恒定律与傅里叶定律，建立导热物体中的温度场应满足的数学表达式，假定导热物体是各向同性的。针对笛卡儿坐标系中微元平行六面体，根据能量守恒定律，通过计算可以得出三维非稳态导热微分方程的一般表达式为：

式中：ρ 为微元体的密度，单位：ｋｇ／ｍ３；ｃ为比热容，单位：Ｊ／（ｋｇ·Ｋ）；λ 为热导率，单位：Ｗ／（ｍ·Ｋ）；φ 为单位时间内单位体积内热源的生成热，单位：Ｗ／ｍ３；τ 为时间，单位：ｓ。其中导热系数为常数时

由上式可知，单位时间传递的热量与物体的热导率、密度、比热容、热源等因素有关。 表１为ＬＥＤ芯片材料的物性参数。

模型采用相同尺寸大小的铝基板，ＬＥＤ有源层产生的热量传递到铝基板后，主要通过自然对流进行散热。对流散热计算公式为

式中：Ｑ为对流散热量，单位：Ｗ；ｈ为换热系数，单位：Ｗ／（ｍ２·Ｋ）；Ａ为换热面积，单位：ｍ２；△ｔ为换热表面与流体温差，单位：Ｋ。影响对流换热的因素很多，如流体流动的起因、流动的状态、换热表面的几何因素、物理因素等。

散热仿真模拟

目前ＬＥＤ的发光效率约为２０％～３０％，其余７０％～８０％的能量都转化为热量。假设 8０％的能量都转化为热量，且产热量恒定不变。若取０．１Ｗ的ＬＥＤ灯，其中８０％的转化为热量，即０．０８Ｗ。假设ＬＥＤ热源体积为１ｍｍ × １ｍｍ × ０．１ｍｍ。因此单位时间、单位体积所产生的热量为

设置环境温度为３００Ｋ，自然对流换热系数为１０Ｗ／（ｍ２·Ｋ）。散热基板为１０ｍｍ × １０ｍｍ × １ｍｍ，其中上表面１ｍｍ ×１ｍｍ处被芯片所覆盖，则有效散热面积Ａ＝２３９ｍｍ２。 对于ＬＥＤ封装结构进行设计时可以先进行仿真模拟分析，与目标性能进行对比分析，然后再进行实验操作。 具体仿真过程读者可参考文献。

结果与讨论

3.1 不同封装类型对于散热效果的影响

选取市场上应用比较广泛的两种ＬＥＤ封装类型：ＳＭＤ封装和ＣＯＢ封装进行对比分析。ＳＭＤ封装结构依次为有源层、蓝宝石衬底、银胶、铜热沉、锡膏、铝基板。ＣＯＢ封装结构依次为：有源层、蓝宝石衬底、银胶、铝基板。图５显示的是ＣＯＢ正装和ＳＭＤ封装时的温度分布，由仿真结果可见，当功率为０．０６Ｗ时，在热平衡条件下，ＣＯＢ封装和ＳＭＤ封装的芯片结温基本相同，但是随着功率的增加，如图６所示，ＬＥＤ结温几乎线性增加，且ＣＯＢ封装的散热效果明显优于ＳＭＤ封装。结合理论和实验分析，其结果主要是由于系统热阻不同，ＳＭＤ封装增加了结构热阻和接触热阻，导致传热效果相对更差。 相比于ＳＭＤ封装，ＣＯＢ封装结构简单，制作工艺流程少，故逐渐替代ＳＭＤ封装，成为现在市场上应用比较广泛的ＬＥＤ封装类型。

图5：功率为0.06W时不同封装机构下的温度分布

3.2 不同芯片结构对于LED散热的影响

目前市场上的ＬＥＤ芯片主要为正装结构，主要是因为ＬＥＤ正装结构制作工艺比较成熟，价格便宜。由于蓝宝石衬底不导电，只能制备同侧电极，故正装结构存在横向电流结构局限性、导热性能差等导致热失效问题。ＬＥＤ垂直结构采用可导电的ＳｉＣ衬底，可以改善同侧结构带来的影响。同时为了解决蓝宝石衬底热导率较差的问题，一些研究者制备出了ＬＥＤ倒装结构。由图６可知，在ＣＯＢ封装下，不同ＬＥＤ芯片结构散热效果不同。ＬＥＤ垂直结构采用了ＳｉＣ衬底，其热导率较蓝宝石衬底大，因此具有更小的热阻，故散热性能更好。 ＬＥＤ倒装结构解决蓝宝石衬底热导率较差的问题，使ＬＥＤ有源层更紧密地接触散热基板，热阻相对于其他两组更小，故 ＣＯＢ倒装结构封装散热效果最优。 由于ＬＥＤ倒装结构制备工艺不成熟，成本较高，对于ＬＥＤ光通量有一定的影响等因素限制了ＬＥＤ倒装结构广泛进入市场。此外，制备ＬＥＤ垂直结构最合适的ＳｉＣ衬底主要由美国Ｃｒｅｅ公司掌握其独特的生长技术，知识产权受到限制。目前主流为在蓝宝石衬底上生长ＧａＮ外延层再进行剥离制备垂直结构，由于蓝宝石衬底质地坚硬且耐腐蚀，只能采用激光剥离的方式将原先衬底去除，导致其他层材料受损。 在大规模生产过程中，可操作性及可重复性较差，成本较高。

图6：不同功率下不同封装结温变化曲线

3.3 不同基板尺寸对于散热的影响

采取了６种不同尺寸的散热铝基板进行仿真，基板规格分别为：６ｍｍ × ６ｍｍ × １ｍｍ、７ｍｍ × ７ｍｍ ×１ｍｍ、８ｍｍ × ８ｍｍ × １ｍｍ、９ｍｍ × ９ｍｍ × １ｍｍ、１０ｍｍ × １０ｍｍ × １ｍｍ和１１ｍｍ × １１ｍｍ × １ｍｍ。ＬＥＤ功率均为０．１Ｗ。由图７可知，３种ＣＯＢ封装下，芯片结温具有一致性，且随着基板尺寸的增大，ＬＥＤ结温减小，但ＬＥＤ结温变化率减小。即继续增加基板尺寸，ＬＥＤ散热效果提升不明显。 根据曲线的变化趋势，可以推断，随着基板尺寸的增加，３种ＬＥＤ封装下的结温将趋于某一稳定的数值。 此后再继续增加基板尺寸，ＬＥＤ结温将不再变化。当基板为６ｍｍ × ６ｍｍ × １ｍｍ时，ＬＥＤ结温为１１３ ℃ ，如果基板尺寸继续减小，将会达到ＬＥＤ最高允许结温１２０ ℃ ，造成芯片永久损伤，不能使用。此时可以通过增加翅片等方式来增加散热。

图7：不同基板尺寸下COB封装结温变化曲线

结论

利用Ｆｌｕｅｎｔ软件对ＬＥＤ散热过程进行仿真，研究在自然对流情况下，不同类型封装结构对于ＬＥＤ散热性能的影响。通过实验数据分析，可以得到以下结论。

相比于ＣＯＢ封装，ＳＭＤ封装的散热效果相对较差。其主要原因是 ＳＭＤ封装增加了封装的接触热阻和结构热阻。 由于ＣＯＢ封装具有更小的尺寸，以及良好的散热性能，目前在市场上占据了一席之地，并逐渐取代ＳＭＤ封装，成为市场ＬＥＤ的主流封装结构。

在３种ＣＯＢ封装类型中，ＬＥＤ倒装结构芯片散热效果最好，其次是垂直结构，最后是正装结构。ＬＥＤ垂直结构采用导电的ＳｉＣ衬底相较于蓝宝石衬底有更小的热导率，散热性能更好。ＬＥＤ倒装结构使ＬＥＤ有源层更紧密地接触散热基板，有着更加良好的散热效果。两者主要都是通过减少热阻以此增加散热。因此可以在保证功能的前提下，尽量减小热阻来增加散热效果。

随着基板尺寸的增大，ＬＥＤ结温减小，但ＬＥＤ结温变化率也随基板尺寸增大而减小，散热效果提升不明显。因此可以通过综合考虑材料、成本等选择合适的基板尺寸，以实现最优性价比。

由于制作工艺复杂、成本较高、知识产权受限等各方面因素限制了ＬＥＤ垂直结构和倒装结构进入市场，正装结构ＣＯＢ封装占据市场主导地位。如果可以将这些问题解决，凭借倒装结构良好的散热性能，必定可以占据一定市场，甚至可以取代正装结构ＣＯＢ封装。

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