一種高功率LED封裝的熱分析

馬澤濤 ，朱大慶 ，王曉軍 華中科技大學(xué) 激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 微系統(tǒng)中心，湖北武漢430074)

摘 要： 建立了大功率發(fā)光二極管(LED)器件的一種封裝結(jié)構(gòu)并利用有限元分析軟件對其進(jìn)行了熱分析，比較了采用不同材料作為LED芯片熱沉的散熱性能 最后分析了LED芯片采用chip—on-board技術(shù)封裝在新型高熱導(dǎo)率復(fù)合材料散熱板上的散熱性能。

關(guān)鍵詞： 高功率LED；芯片熱沉；熱管理；chip—on—board
中圖分類號：TN312．8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，比較成熟的商品化功率型發(fā)光二極管(LED)輸入功率一般為1 w，芯片面積l mm×1mm，其熱流密度達(dá)到了100 W／cm 。隨著芯片技術(shù)的日益成熟，單個(gè)LED芯片的輸入功率可以進(jìn)一步提高到5 W 甚至更高，因此防止LED的熱量累積變得越來越重要。如果不能有效地耗散這些熱量，隨之而來的熱效應(yīng)將會變得非常明顯；結(jié)溫升高，直接減少芯片出射的光子，取光效率降低；溫度的升高會使得芯片的發(fā)射光譜發(fā)生紅移，色溫質(zhì)量下降，尤其是對基于藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉的白光LED器件更為嚴(yán)重，其中熒光粉的轉(zhuǎn)換效率也會隨著溫度升高而降低。因此由于溫度升高而產(chǎn)生的各種熱效應(yīng)會嚴(yán)重影響到LED器件的使用壽命和可靠性。
在封裝過程中，LED芯片、金線、封裝樹脂、透鏡，以及芯片熱沉等各個(gè)環(huán)節(jié)，散熱問題都必須很好地重視。大多數(shù)塑料和環(huán)氧樹脂暴露在紫外輻射下都會變黃老化，這種老化隨著封裝結(jié)構(gòu)溫度的增加會越來越嚴(yán)重，且不可逆轉(zhuǎn)。為了最大限度地減少LED封裝樹脂的老化效應(yīng)，封裝中多余熱量應(yīng)避免從取光途徑散出，為此應(yīng)通過設(shè)計(jì)低熱阻LED封裝結(jié)構(gòu)將其芯片產(chǎn)生的大部分熱量通過芯片熱沉消散到外界環(huán)境。其突破點(diǎn)就是芯片熱沉的結(jié)構(gòu)、尺寸、和材料。
近年來，關(guān)于大功率LED封裝的熱問題，國際上已有很多相關(guān)報(bào)道，2001年，M．Arik等 論述了關(guān)于大功率LED器件級和系統(tǒng)級封裝過程中的熱問題，著重比較了采用不同芯片材料以及鍵合技術(shù)對LED散熱性能的影響；在2003年，建立并分析白光LED中熒光粉顆粒的熱模型 ，并于2004年通過有限元分析和實(shí)驗(yàn)得到關(guān)于LED芯片級封裝過程中的一些關(guān)鍵性熱問題口_41。
本文主要針對目前大功率LED器件散熱問題設(shè)計(jì)出一種有效的封裝結(jié)構(gòu)，分析了其等效熱阻網(wǎng)絡(luò)，并建立了基于熱傳導(dǎo)和對流的有限元數(shù)值模型；
著重分析該芯片熱沉結(jié)構(gòu)的散熱性能，比較芯片熱沉所采用的材料對整個(gè)LED封裝結(jié)構(gòu)散熱性能的影響。最后還給出了chip—on—board封裝技術(shù)的有限元分析結(jié)果。

2 大功率LED器件建模
LED芯片結(jié)的耗散功率為P。，通過芯片熱沉、封裝樹脂和金線引線框架電極的熱傳導(dǎo)以及與外界環(huán)境的對流作用，散發(fā)到外界環(huán)境中，其中芯片熱沉的傳導(dǎo)散熱起著決定性作用。這里“結(jié)”是指半導(dǎo)體芯片內(nèi)部的“p-n”結(jié)，是芯片產(chǎn)生光子的區(qū)域。
本文中所使用的是單電極結(jié)構(gòu)的高功率管芯在半透明SiC襯底上直接長A1GaN有源層。圖1所示為實(shí)際高功率LED的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：LED芯片用焊料焊接在表面絕緣的芯片熱沉上，芯片電極通過金線與引線框架連接，芯片外部用硅橡膠或者其他熱穩(wěn)定性、絕緣性，以及光學(xué)透明的樹脂材料封裝，熱沉四周用塑料材料封裝；最后整個(gè)LED器件貼在金屬基線路板上。

由于硅橡膠／環(huán)氧樹脂、熒光粉，以及塑料外殼封裝的低熱導(dǎo)率，只考慮熱量從芯片到芯片熱沉底部傳導(dǎo)的路徑，得到一般I．ED照明系統(tǒng)的簡化等效熱阻網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。
由圖2知，可以把LED照明系統(tǒng)總熱阻進(jìn)一步分解為從芯片結(jié)區(qū)到外界環(huán)境的傳熱通道上兩個(gè)層次：器件級內(nèi)部熱阻和系統(tǒng)級外部熱阻。本文的重點(diǎn)在于對器件級內(nèi)部熱阻的分析，包括從芯片到芯片熱沉底部之間的熱阻，其大小一般由封裝結(jié)構(gòu)比如幾何形狀、所用材料以及芯片大小決定，這部分可以通過優(yōu)化達(dá)到最佳效果。

LED封裝最關(guān)心的是芯片的結(jié)溫T ，由熱阻的計(jì)算公式Rj 一( 一丁 )／P 可以得到結(jié)溫的表達(dá)式： —Po×Rj +Ta，即熱阻越小，在同樣大小和耗散功率Pn下，芯片結(jié)溫升溫越??；或者說在達(dá)到同樣結(jié)溫的條件下，能夠消耗的功率更大，LED器件性能也就越好。
為了從根本上解決熱量耗散的問題，關(guān)鍵在于得到器件內(nèi)部溫度場的分布，以指導(dǎo)器件的熱設(shè)計(jì)，使結(jié)區(qū)的熱量有效通過芯片熱沉耗散出去，這樣就可以減少LED系統(tǒng)的體積，避免使用外部冷卻系統(tǒng)，從而節(jié)約LED系統(tǒng)成本。
通過三維有限元分析法對LED器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，由于器件的對稱性，只需要建立并分析其1／4的結(jié)構(gòu)就可得到整個(gè)器件的分析結(jié)果。
在有限元分析中，假定一個(gè)恒定的1 W 的熱流加載在芯片底面上即有源層生長的地方，管芯的尺寸設(shè)為1 mm×1 mm，厚度為0．25 mm。對流模式為空氣自然對流，熱沉的底面的對流系數(shù)為1O W／(nl ·K)，透鏡外表面對流系數(shù)為5 w／(nl ·K)。
熱沉底面直徑為7 mIi1，金屬基線路板的直徑為2Omm。周圍環(huán)境溫度假設(shè)為3O℃，為了簡化模型，不考慮封裝過程各層之間的附加接觸熱阻。表1為單芯片LED封裝所使用的材料及其熱導(dǎo)率大小㈦。

ANSYS有限元計(jì)算得到的結(jié)果如圖3和4所示。通過數(shù)值有限元計(jì)算得到了溫度場分布，雖然這并不一定是I．ED器件內(nèi)部的實(shí)際溫度，但是能大概得到其相對分布情況。從圖3和圖4的溫度場分布可知：用銅和鋁(6061)作為I ED芯片熱沉，其結(jié)區(qū)的最高溫度分別約為126℃ 和127．1℃ ，最低溫度在透鏡的頂點(diǎn)位置，分別約為113．2℃和114．2℃ ，從結(jié)區(qū)到芯片熱沉底面的熱阻分別約為1．3℃／w和2℃／w，具有低熱阻散熱結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，在芯片熱沉和焊料層之間依次還有很薄的絕緣層和金屬層，因此從結(jié)區(qū)到芯片熱沉底面的熱阻會比模擬計(jì)算的大。從兩圖也可以發(fā)現(xiàn)，在金屬基線路板底面上加的對流系數(shù)為10 w／(m -K)。該值為空氣自然對流模式能達(dá)到的最大值，芯片結(jié)區(qū)溫度都超過了120。C，均超出了半導(dǎo)體芯片所能承受的最高工作溫度，這樣I ED芯片就有可能不出光甚至失效。
可見在采用空氣自然對流模式，10 mm半徑的外加金屬散熱板不能滿足其散熱性能。因此LED器件要長時(shí)間、可靠穩(wěn)定地工作，還必須采取其他措施，如增大金屬基線路板的尺寸、增加外部散熱片，來增大表面的散熱總面積，或者采用強(qiáng)制對流模式來增加表面對流系數(shù)。

為了能有效地解決LED器件穩(wěn)定可靠工作，又能做到封裝結(jié)構(gòu)簡單緊湊，本文又提出另一種方案：
把半導(dǎo)體封裝工藝中的chip-on-board(C0B)技術(shù)運(yùn)用到LED芯片的封裝上，即直接將LED芯片封裝在散熱基板上?；暹x用高熱導(dǎo)率新型復(fù)合材料，其內(nèi)核材料的平面熱導(dǎo)率為1 500 w／(m -K)，豎直方向上的熱導(dǎo)率為25w／(m·K)；結(jié)構(gòu)層是鋁(純)材料。
通過電路板制作工藝，在復(fù)合材料上面分別制作高導(dǎo)熱性能絕緣材料(熱導(dǎo)率為2．2 w／(ITI·K))和敷銅層(線路層)，芯片倒裝焊在銅層上。
圖5為I ED芯片采用COB技術(shù)封裝在復(fù)合材料線路板上的結(jié)構(gòu)圖。首先復(fù)合材料線路板可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電氣連接和很好散熱功能，而且電熱性能分開，其制作工藝兼容于目前電路板制作流程。技術(shù)成熟可靠，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。并且采用半導(dǎo)體新型COB技術(shù)封裝后，I ED芯片直接封裝在基板的銅線路層上，不用象單個(gè)功率型I ED器件那樣另外加工芯片熱沉、電極引線框架以及塑料外殼等，能簡化LED封裝工藝，縮短封裝流程，節(jié)約成本。COB封裝的I ED組件中，芯片產(chǎn)生的熱量直接通過焊料層傳到銅線路層，然后一方面再通過銅線路層擴(kuò)散到周圍區(qū)域，另一方面把大部分熱量依次傳遞到介質(zhì)層、復(fù)合材料層、外界環(huán)境。
圖6～9為單個(gè)LED芯片的c()B封裝溫度模擬分布圖，芯片到基板底座之間的熱阻約為6℃／w，芯片上溫度梯度約為0．4℃ ，復(fù)合材料上的溫度梯度約為0．6℃ ，而溫度梯度比較大的地方主要存在銅線路層到復(fù)合材料之間的絕緣層上，約為5℃。
因此在復(fù)合材料線路板制作以及芯片封裝過程中，減少焊料層的厚度，適量增加銅層厚度，以及增大銅層的面積可以將芯片產(chǎn)生的大部分熱量吸收到銅層本身，然后利用銅本身良好的熱性能把這部分熱量迅速擴(kuò)散到周圍比較大的區(qū)域，增加了與介質(zhì)層的熱接觸的面積；同時(shí)由于介質(zhì)層的熱導(dǎo)率只有2．2w／(m ·K)(FR4為0．2 W／(ITI·K))，大部分熱阻取決于介質(zhì)層，因此其厚度是影響熱阻的決定性因素，盡量減少介質(zhì)層的厚度，能大大減少銅線路層到復(fù)合材料散熱層的熱阻，有利于將銅線路層的熱量傳遞到散熱層。復(fù)合材料散熱層由于具有良好熱性能，能把熱量傳遞到邊界，與環(huán)境發(fā)生熱交換。
實(shí)際上，COB封裝技術(shù)和高熱導(dǎo)率復(fù)合材料的結(jié)合，其優(yōu)勢更加體現(xiàn)在多芯片封裝七，形成多芯片模塊組件，有利于提高I ED單位封裝組件的散熱性能，同時(shí)增加單位組件的發(fā)光亮度。

3 結(jié)論
對于大功率I．ED器件，由于其輸入功率的進(jìn)一步提高，更多的熱量需要從芯片結(jié)區(qū)有效地消散掉，因此大功率LED器件的熱管理問題對于I．ED封裝技術(shù)是一個(gè)挑戰(zhàn)。
本文根據(jù)一種LED實(shí)際封裝結(jié)構(gòu)建立了基于熱傳導(dǎo)／熱對流的有限元模型，分析比較了單個(gè)芯片封裝器件銅、鋁作為芯片熱沉?xí)r，都可以實(shí)現(xiàn)低熱阻封裝結(jié)構(gòu)，能提高散熱性能。 當(dāng)然這只是在理想的條件下，不考慮層與層之間的接觸熱阻，以及由于封裝過程中出現(xiàn)的一些缺陷而導(dǎo)致局部熱積累和熱膨脹。#lqJI散熱基板面積尺寸很大程度影響芯片的結(jié)溫，在空氣自然對流下，其直徑要大于2O mm才能使得LED芯片在l2O IC以下工作。而采用的COB技術(shù)封裝的LED模塊，絕緣介質(zhì)層導(dǎo)熱性能和厚度對芯片溫度有著關(guān)鍵作用，而線路層的厚度以及面積的大小能改善芯片熱性能。對于兩種封裝方式，邊界溫度以及采取的對流方式對整個(gè)I．ED封裝溫度仍然有很大的影響。

參考文獻(xiàn)
[1] Arik M，Petroski J，Weaver S．Thermal challenges in the future generation solid state lighting applications：
light emitting diodes[A]．ASME／1EEE International Packaging Technical Conference[C]．Hawaii+2001．
[2] Arik M，Weaver S，Beeker C，et a1．Effects of localized heat generations due to the color conversion in
phosphor particles and layers of high brightness light emitting diodes[A]． ASME／1EEE International
Packaging Technical Conference and Exhibition[c]， Hawaii。USA．2003．
I-3] Arik M，Weaver S．Chip scale thermal management of high brightness LED packages[J]．Proc．of SPIE，
2004，5 530：214—223．
[4] Arik M，Becker C，Weaver S，et a1．Thermal management of LEDs：package to systemEJ]．Proc．of
SPIE，2004，5 187：64：75．
[5] Tummala R R，Rymaszewski E J，Klopfenstein A G． Microelectronics Packing Handk~ok(．Second Edition)fK]．
作者簡介：
馬澤濤(1 981一)，男，碩士研究生，主要從事光電器件設(shè)計(jì)及封裝研究。

熱設(shè)計(jì)論文下載：一種高功率LED封裝的熱分析.pdf
 

標(biāo)簽： 點(diǎn)擊： 評論: