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 激光技術國家重點實驗室； 微系統中心，湖北武漢430074)
摘 要： 建立了大功率發光二極管(LED)器件的一種封裝結構并利用有限元分析軟件對其進行了熱分析，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技術封裝在新型高熱導率復合材料散熱板上的散熱性能。
關鍵詞： 高功率LED；芯片熱沉；熱管理；chip—on—board
中圖分類號：TN312．8 文獻標識碼：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，其熱流密度達到了100 W／cm 。隨著芯片技術的日益成熟，單個LED芯片的輸入功率可以進一步提高到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，隨之而來的熱效應將會變得非常明顯；結溫升高，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射光譜發生紅移，色溫質量下降，尤其是對基于藍光LED激發黃色熒光粉的白光LED器件更為嚴重，其中熒光粉的轉換效率也會隨著溫度升高而降低。因此由于溫度升高而產生的各種熱效應會嚴重影響到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環節，散熱問題都必須很好地重視。大多數塑料和環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構溫度的增加會越來越嚴重，且不可逆轉。為了最大限度地減少LED封裝樹脂的老化效應，封裝中多余熱量應避免從取光途徑散出，為此應通過設計低熱阻LED封裝結構將其芯片產生的大部分熱量通過芯片熱沉消散到外界環境。其突破點就是芯片熱沉的結構、尺寸、和材料。
近年來，關于大功率LED封裝的熱問題，國際上已有很多相關報道，2001年，M．Arik等 論述了關于大功率LED器件級和系統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驗得到關于LED芯片級封裝過程中的一些關鍵性熱問題口_41。
本文主要針對目前大功率LED器件散熱問題設計出一種有效的封裝結構，分析了其等效熱阻網絡，并建立了基于熱傳導和對流的有限元數值模型；
著重分析該芯片熱沉結構的散熱性能，比較芯片熱沉所采用的材料對整個LED封裝結構散熱性能的影響。最后還給出了chip—on—board封裝技術的有限元分析結果。
2 大功率LED器件建模
LED芯片結的耗散功率為P。，通過芯片熱沉、封裝樹脂和金線引線框架電極的熱傳導以及與外界環境的對流作用，散發到外界環境中，其中芯片熱沉的傳導散熱起著決定性作用。這里“結”是指半導體芯片內部的“p-n”結，是芯片產生光子的區域。
本文中所使用的是單電極結構的高功率管芯在半透明SiC襯底上直接長A1GaN有源層。圖1所示為實際高功率LED的內部結構：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定性、絕緣性，以及光學透明的樹脂材料封裝，熱沉四周用塑料材料封裝；最后整個LED器件貼在金屬基線路板上。
由于硅橡膠／環氧樹脂、熒光粉，以及塑料外殼封裝的低熱導率，只考慮熱量從芯片到芯片熱沉底部傳導的路徑，得到一般I．ED照明系統的簡化等效熱阻網絡，如圖2所示。
由圖2知，可以把LED照明系統總熱阻進一步分解為從芯片結區到外界環境的傳熱通道上兩個層次：器件級內部熱阻和系統級外部熱阻。本文的重點在于對器件級內部熱阻的分析，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構比如幾何形狀、所用材料以及芯片大小決定，這部分可以通過優化達到最佳效果。
LED封裝最關心的是芯片的結溫T ，由熱阻的計算公式Rj 一( 一丁 )／P 可以得到結溫的表達式： —Po×Rj +Ta，即熱阻越小，在同樣大小和耗散功率Pn下，芯片結溫升溫越小；或者說在達到同樣結溫的條件下，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，關鍵在于得到器件內部溫度場的分布，以指導器件的熱設計，使結區的熱量有效通過芯片熱沉耗散出去，這樣就可以減少LED系統的體積，避免使用外部冷卻系統，從而節約LED系統成本。
通過三維有限元分析法對LED器件結構進行簡化處理，由于器件的對稱性，只需要建立并分析其1／4的結構就可得到整個器件的分析結果。
在有限元分析中，假定一個恒定的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為1O W／(nl ·K)，透鏡外表面對流系數為5 w／(nl ·K)。
熱沉底面直徑為7 mIi1，金屬基線路板的直徑為2Omm。周圍環境溫度假設為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率大小㈦。
ANSYS有限元計算得到的結果如圖3和4所示。通過數值有限元計算得到了溫度場分布，雖然這并不一定是I．ED器件內部的實際溫度，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，其結區的最高溫度分別約為126℃ 和127．1℃ ，最低溫度在透鏡的頂點位置，分別約為113．2℃和114．2℃ ，從結區到芯片熱沉底面的熱阻分別約為1．3℃／w和2℃／w，具有低熱阻散熱結構。事實上，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，因此從結區到芯片熱沉底面的熱阻會比模擬計算的大。從兩圖也可以發現，在金屬基線路板底面上加的對流系數為10 w／(m -K)。該值為空氣自然對流模式能達到的最大值，芯片結區溫度都超過了120。C，均超出了半導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器件要長時間、可靠穩定地工作，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，或者采用強制對流模式來增加表面對流系數。
為了能有效地解決LED器件穩定可靠工作，又能做到封裝結構簡單緊湊，本文又提出另一種方案：
把半導體封裝工藝中的chip-on-board(C0B)技術運用到LED芯片的封裝上，即直接將LED芯片封裝在散熱基板上。基板選用高熱導率新型復合材料，其內核材料的平面熱導率為1 500 w／(m -K)，豎直方向上的熱導率為25w／(m·K)；結構層是鋁(純)材料。
通過電路板制作工藝，在復合材料上面分別制作高導熱性能絕緣材料(熱導率為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技術封裝在復合材料線路板上的結構圖。首先復合材料線路板可以同時實現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。技術成熟可靠，可實現大規模量產。并且采用半導體新型COB技術封裝后，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，節約成本。COB封裝的I ED組件中，芯片產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散到周圍區域，另一方面把大部分熱量依次傳遞到介質層、復合材料層、外界環境。
圖6～9為單個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合材料之間的絕緣層上，約為5℃。
因此在復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散到周圍比較大的區域，增加了與介質層的熱接觸的面積；同時由于介質層的熱導率只有2．2w／(m ·K)(FR4為0．2 W／(ITI·K))，大部分熱阻取決于介質層，因此其厚度是影響熱阻的決定性因素，盡量減少介質層的厚度，能大大減少銅線路層到復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，與環境發生熱交換。
實際上，COB封裝技術和高熱導率復合材料的結合，其優勢更加體現在多芯片封裝七，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，同時增加單位組件的發光亮度。
3 結論
對于大功率I．ED器件，由于其輸入功率的進一步提高，更多的熱量需要從芯片結區有效地消散掉，因此大功率LED器件的熱管理問題對于I．ED封裝技術是一個挑戰。
本文根據一種LED實際封裝結構建立了基于熱傳導／熱對流的有限元模型，分析比較了單個芯片封裝器件銅、鋁作為芯片熱沉時，都可以實現低熱阻封裝結構，能提高散熱性能。 當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的一些缺陷而導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技術封裝的LED模塊，絕緣介質層導熱性能和厚度對芯片溫度有著關鍵作用，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I．ED封裝溫度仍然有很大的影響。
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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計及封裝研究。
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