【專業分析】LED行業封裝熱點之COB散熱技術

所謂COB封裝(ChiponBoard)，是指LED芯片直接在基板上進行綁定封裝。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，組成一個大功率的光源模組，再配合二次透鏡和散熱外殼的設計，來開發電源效率高、散熱性能好、造價成本低的照明設備。

　　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鍵技術環節。針對大功率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。本文主要是針對元暉光電開發的電源相對應的COB模組進行熱分析。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。

　　元暉光電所開發的動態控制開關重新組合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。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。這樣可能會引起芯片的結溫不同，從而導致壽命不同。下面我們通過模擬來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，同時還要有4根線連到芯片排列組合的外圍，用來配合電源連接。這里假設陶瓷基板構成(結構參見圖2)：陶瓷基材的尺寸為10mmx10mmx0.5mm(其中，中心5mmx5mm為芯片所占區域，周邊2.5mm寬度的區域是為安置4個焊盤所需)。上面有一層銅(厚度為30um)；金屬基板的構成(結構參見圖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COB基板固定在一塊鋁板(厚度1.2mm，直徑50mm)，這個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，環境溫度為25oC，其他表面絕熱。芯片的熱功耗參數參見表1.那么我們先使用SolidWorksSimulation進行模擬，計算一下在Al2O3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，同時要考慮芯片排列要滿足圖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Al2O3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°。

　　那么我們來看看這兩種排列在不同的基板上會有什么影響？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Bergquist公司金屬基板MP-06503模擬結果參見表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，會導致芯片溫度比較高，如果我們把芯片排滿整個Al2O3基板10mmx10mm的區域，芯片的溫度會如何？圖15給出了芯片按常規排列，分布區域為10mmx10mm的分布圖。然后把這個基板放在同圖5同樣的環境中模擬，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。