基于ＬＥＤ不同封装类型散热分析

基 于 ＬＥＤ 不 同 封 装 类 型 散 热 分 析

宿文志，钱 靖，吴义云，刘 蕾，李昕淼，邹 勇

（安徽工业大学数理科学与工程学院）

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。

引 言

发光二极管（ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ，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［１ － ４］ ，也逐渐向生物、医疗等领域拓展，并取得了很大进展［５ － ７］ 。 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［８ － １１］ 。

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［１２］ 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［１３］ 。 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［１４］ 。 文尚胜等［１５］ 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［１６］ 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 ＣＯＢ ＬＥＤ 光源散热性能，在相同条件下，采用金属铝基板的 ＣＯＢ ＬＥＤ 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［１７］ 也取得了良好的效果。 陈茂兴等［１８］ 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［１９］ 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［２０］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［２１］ 。 尚洁等［２２］ 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［２３］ 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。

１ 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． ２ Ｗ／（ 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。

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：

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。

２ 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． １ Ｗ 的ＬＥＤ 灯，其中 ８０％ 的转化为热量，即 ０． ０８ Ｗ。 假设ＬＥＤ 热源体积为 １ ｍｍ × １ ｍｍ × ０． １ ｍｍ 。 因此单位时间、单位体积所产生的热量为

设置环境温度为 ３００ Ｋ，自然对流换热系数为 １０Ｗ／（ ｍ２ ·Ｋ） 。 散热基板为 １０ ｍｍ × １０ ｍｍ × １ ｍｍ，其中上表面 １ ｍｍ × １ ｍｍ 处被芯片所覆盖，则有效散热面积 Ａ ＝ ２３９ ｍｍ２。 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［２４］。

３ 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。

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。

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：６ ｍｍ × ６ ｍｍ × １ ｍｍ、７ ｍｍ × ７ ｍｍ ×１ ｍｍ、８ ｍｍ × ８ ｍｍ × １ ｍｍ、９ ｍｍ × ９ ｍｍ × １ ｍｍ、１０ｍｍ × １０ ｍｍ × １ ｍｍ 和 １１ ｍｍ × １１ ｍｍ × １ ｍｍ。 ＬＥＤ功率均为 ０． １ Ｗ。 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 ６ ｍｍ × ６ｍｍ × １ ｍｍ 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［２４］ 方式来增加散热。

４ 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。

（１） 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。

（２） 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。

（３ ） 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。