一种高功率LED封装的热分析
马泽涛 ，朱大庆 ，王晓军 华中科技大学 激光技术国家重点实验室； 微系统中心，湖北武汉430074)
摘 要： 建立了大功率发光二极管(LED)器件的一种封装结构并利用有限元分析软件对其进行了热分析，比较了采用不同材料作为LED芯片热沉的散热性能 最后分析了LED芯片采用chip—on-board技术封装在新型高热导率复合材料散热板上的散热性能。
关键词： 高功率LED；芯片热沉；热管理；chip—on—board
中图分类号：TN312．8 文献标识码：A 文章编号：1001—5868(2006)01—0016—04
Thermal Analysis of High-power Light·emitting Diode Packages
MA Ze—tao ，ZHU Da-qing ，W ANG Xiao-jun (1．National Laboratory of Laser Technology；2．Institute of Microsystems，Huazhong University of Science and Technology，W uhan 430074，CHN)
Abstract： A novel package and thermal analysis based on FEA software for high power LED were presented．Heat dissipation of different die heat~sink materials was compared．Later。the heat performance of LED package utilizing chip。。on。_board technology on a novel composite materials with high thermoconductivity was studied．
Key words： high-power LED；heat sink；thermal management;chip—on—board
1 引言
目前，比较成熟的商品化功率型发光二极管(LED)输入功率一般为1 w，芯片面积l mm×1mm，其热流密度达到了100 W／cm 。随着芯片技术的日益成熟，单个LED芯片的输入功率可以进一步提高到5 W 甚至更高，因此防止LED的热量累积变得越来越重要。如果不能有效地耗散这些热量，随之而来的热效应将会变得非常明显；结温升高，直接减少芯片出射的光子，取光效率降低；温度的升高会使得芯片的发射光谱发生红移，色温质量下降，尤其是对基于蓝光LED激发黄色荧光粉的白光LED器件更为严重，其中荧光粉的转换效率也会随着温度升高而降低。因此由于温度升高而产生的各种热效应会严重影响到LED器件的使用寿命和可靠性。
在封装过程中，LED芯片、金线、封装树脂、透镜，以及芯片热沉等各个环节，散热问题都必须很好地重视。大多数塑料和环氧树脂暴露在紫外辐射下都会变黄老化，这种老化随着封装结构温度的增加会越来越严重，且不可逆转。为了最大限度地减少LED封装树脂的老化效应，封装中多余热量应避免从取光途径散出，为此应通过设计低热阻LED封装结构将其芯片产生的大部分热量通过芯片热沉消散到外界环境。其突破点就是芯片热沉的结构、尺寸、和材料。
近年来，关于大功率LED封装的热问题，国际上已有很多相关报道，2001年，M．Arik等 论述了关于大功率LED器件级和系统级封装过程中的热问题，着重比较了采用不同芯片材料以及键合技术对LED散热性能的影响；在2003年，建立并分析白光LED中荧光粉颗粒的热模型 ，并于2004年通过有限元分析和实验得到关于LED芯片级封装过程中的一些关键性热问题口_41。
本文主要针对目前大功率LED器件散热问题设计出一种有效的封装结构，分析了其等效热阻网络，并建立了基于热传导和对流的有限元数值模型；
着重分析该芯片热沉结构的散热性能，比较芯片热沉所采用的材料对整个LED封装结构散热性能的影响。最后还给出了chip—on—board封装技术的有限元分析结果。
2 大功率LED器件建模
LED芯片结的耗散功率为P。，通过芯片热沉、封装树脂和金线引线框架电极的热传导以及与外界环境的对流作用，散发到外界环境中，其中芯片热沉的传导散热起着决定性作用。这里“结”是指半导体芯片内部的“p-n”结，是芯片产生光子的区域。
本文中所使用的是单电极结构的高功率管芯在半透明SiC衬底上直接长A1GaN有源层。图1所示为实际高功率LED的内部结构：LED芯片用焊料焊接在表面绝缘的芯片热沉上，芯片电极通过金线与引线框架连接，芯片外部用硅橡胶或者其他热稳定性、绝缘性，以及光学透明的树脂材料封装，热沉四周用塑料材料封装；最后整个LED器件贴在金属基线路板上。
由于硅橡胶／环氧树脂、荧光粉，以及塑料外壳封装的低热导率，只考虑热量从芯片到芯片热沉底部传导的路径，得到一般I．ED照明系统的简化等效热阻网络，如图2所示。
由图2知，可以把LED照明系统总热阻进一步分解为从芯片结区到外界环境的传热通道上两个层次：器件级内部热阻和系统级外部热阻。本文的重点在于对器件级内部热阻的分析，包括从芯片到芯片热沉底部之间的热阻，其大小一般由封装结构比如几何形状、所用材料以及芯片大小决定，这部分可以通过优化达到最佳效果。
LED封装最关心的是芯片的结温T ，由热阻的计算公式Rj 一( 一丁 )／P 可以得到结温的表达式： —Po×Rj +Ta，即热阻越小，在同样大小和耗散功率Pn下，芯片结温升温越小；或者说在达到同样结温的条件下，能够消耗的功率更大，LED器件性能也就越好。
为了从根本上解决热量耗散的问题，关键在于得到器件内部温度场的分布，以指导器件的热设计，使结区的热量有效通过芯片热沉耗散出去，这样就可以减少LED系统的体积，避免使用外部冷却系统，从而节约LED系统成本。
通过三维有限元分析法对LED器件结构进行简化处理，由于器件的对称性，只需要建立并分析其1／4的结构就可得到整个器件的分析结果。
在有限元分析中，假定一个恒定的1 W 的热流加载在芯片底面上即有源层生长的地方，管芯的尺寸设为1 mm×1 mm，厚度为0．25 mm。对流模式为空气自然对流，热沉的底面的对流系数为1O W／(nl ·K)，透镜外表面对流系数为5 w／(nl ·K)。
热沉底面直径为7 mIi1，金属基线路板的直径为2Omm。周围环境温度假设为3O℃，为了简化模型，不考虑封装过程各层之间的附加接触热阻。表1为单芯片LED封装所使用的材料及其热导率大小㈦。
ANSYS有限元计算得到的结果如图3和4所示。通过数值有限元计算得到了温度场分布，虽然这并不一定是I．ED器件内部的实际温度，但是能大概得到其相对分布情况。从图3和图4的温度场分布可知：用铜和铝(6061)作为I ED芯片热沉，其结区的最高温度分别约为126℃ 和127．1℃ ，最低温度在透镜的顶点位置，分别约为113．2℃和114．2℃ ，从结区到芯片热沉底面的热阻分别约为1．3℃／w和2℃／w，具有低热阻散热结构。事实上，在芯片热沉和焊料层之间依次还有很薄的绝缘层和金属层，因此从结区到芯片热沉底面的热阻会比模拟计算的大。从两图也可以发现，在金属基线路板底面上加的对流系数为10 w／(m -K)。该值为空气自然对流模式能达到的最大值，芯片结区温度都超过了120。C，均超出了半导体芯片所能承受的最高工作温度，这样I ED芯片就有可能不出光甚至失效。
可见在采用空气自然对流模式，10 mm半径的外加金属散热板不能满足其散热性能。因此LED器件要长时间、可靠稳定地工作，还必须采取其他措施，如增大金属基线路板的尺寸、增加外部散热片，来增大表面的散热总面积，或者采用强制对流模式来增加表面对流系数。
为了能有效地解决LED器件稳定可靠工作，又能做到封装结构简单紧凑，本文又提出另一种方案：
把半导体封装工艺中的chip-on-board(C0B)技术运用到LED芯片的封装上，即直接将LED芯片封装在散热基板上。基板选用高热导率新型复合材料，其内核材料的平面热导率为1 500 w／(m -K)，竖直方向上的热导率为25w／(m·K)；结构层是铝(纯)材料。
通过电路板制作工艺，在复合材料上面分别制作高导热性能绝缘材料(热导率为2．2 w／(ITI·K))和敷铜层(线路层)，芯片倒装焊在铜层上。
图5为I ED芯片采用COB技术封装在复合材料线路板上的结构图。首先复合材料线路板可以同时实现电气连接和很好散热功能，而且电热性能分开，其制作工艺兼容于目前电路板制作流程。技术成熟可靠，可实现大规模量产。并且采用半导体新型COB技术封装后，I ED芯片直接封装在基板的铜线路层上，不用象单个功率型I ED器件那样另外加工芯片热沉、电极引线框架以及塑料外壳等，能简化LED封装工艺，缩短封装流程，节约成本。COB封装的I ED组件中，芯片产生的热量直接通过焊料层传到铜线路层，然后一方面再通过铜线路层扩散到周围区域，另一方面把大部分热量依次传递到介质层、复合材料层、外界环境。
图6～9为单个LED芯片的c()B封装温度模拟分布图，芯片到基板底座之间的热阻约为6℃／w，芯片上温度梯度约为0．4℃ ，复合材料上的温度梯度约为0．6℃ ，而温度梯度比较大的地方主要存在铜线路层到复合材料之间的绝缘层上，约为5℃。
因此在复合材料线路板制作以及芯片封装过程中，减少焊料层的厚度，适量增加铜层厚度，以及增大铜层的面积可以将芯片产生的大部分热量吸收到铜层本身，然后利用铜本身良好的热性能把这部分热量迅速扩散到周围比较大的区域，增加了与介质层的热接触的面积；同时由于介质层的热导率只有2．2w／(m ·K)(FR4为0．2 W／(ITI·K))，大部分热阻取决于介质层，因此其厚度是影响热阻的决定性因素，尽量减少介质层的厚度，能大大减少铜线路层到复合材料散热层的热阻，有利于将铜线路层的热量传递到散热层。复合材料散热层由于具有良好热性能，能把热量传递到边界，与环境发生热交换。
实际上，COB封装技术和高热导率复合材料的结合，其优势更加体现在多芯片封装七，形成多芯片模块组件，有利于提高I ED单位封装组件的散热性能，同时增加单位组件的发光亮度。
3 结论
对于大功率I．ED器件，由于其输入功率的进一步提高，更多的热量需要从芯片结区有效地消散掉，因此大功率LED器件的热管理问题对于I．ED封装技术是一个挑战。
本文根据一种LED实际封装结构建立了基于热传导／热对流的有限元模型，分析比较了单个芯片封装器件铜、铝作为芯片热沉时，都可以实现低热阻封装结构，能提高散热性能。 当然这只是在理想的条件下，不考虑层与层之间的接触热阻，以及由于封装过程中出现的一些缺陷而导致局部热积累和热膨胀。#lqJI散热基板面积尺寸很大程度影响芯片的结温，在空气自然对流下，其直径要大于2O mm才能使得LED芯片在l2O IC以下工作。而采用的COB技术封装的LED模块，绝缘介质层导热性能和厚度对芯片温度有着关键作用，而线路层的厚度以及面积的大小能改善芯片热性能。对于两种封装方式，边界温度以及采取的对流方式对整个I．ED封装温度仍然有很大的影响。
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作者简介：
马泽涛(1 981一)，男，硕士研究生，主要从事光电器件设计及封装研究。
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