【专业分析】LED行业封装热点之COB散热技术

所谓COB封装(ChiponBoard)，是指LED芯片直接在基板上进行绑定封装。也就是指将N颗LED芯片绑定在金属基板或陶瓷基板上，成为一个新的LED光源模组。通常是按电源设计要求，用多颗小芯片配置在一起，组成一个大功率的光源模组，再配合二次透镜和散热外壳的设计，来开发电源效率高、散热性能好、造价成本低的照明设备。

　　众所周知，由于芯片结温的高低直接影响到LED出光效率、色度漂移和器件寿命等参数，如何提高封装器件散热能力、降低芯片温度成为COB结构设计中亟需解决的关键技术环节。针对大功率COBLED的封装散热难题，通常通过多颗LED芯片合理的排列，选择合适的基板可以得到有效的解决。本文主要是针对元晖光电开发的电源相对应的COB模组进行热分析。探讨了LED芯片排列，陶瓷基板(Al2O3基板，AlN基板)及金属基板(铝基板，铜基板)对芯片温度的影响。

　　元晖光电所开发的动态控制开关重新组合LED串接方式的电源，把88颗芯片分为3串(LED1，LED2，LED3)，如图1。

　　其中LED1中有59颗，功耗为76.4%；LED2中有15颗，功耗为14.8%；LED3中有14颗，功耗为8.7%.假设88颗芯片的总功耗为7.4W，那么可以计算出这3串芯片的每颗芯片的功耗如表1所示。可以看到，在LED1中，每颗芯片的功耗为：0.0958W；在LED2中每颗芯片的功耗为：0.0732W；在LED3中每颗芯片的功耗为：0.0462W.显然，这三串的芯片的单颗功耗不是均等的，LED1中的芯片单颗功耗是LED3中的两倍。这样可能会引起芯片的结温不同，从而导致寿命不同。下面我们通过模拟来分析如何减小这种由于芯片单颗功耗分配不均所引起的温度差异。

　　从图1可以看出，88颗芯片要用一条线串起来，同时还要有4根线连到芯片排列组合的外围，用来配合电源连接。这里假设陶瓷基板构成(结构参见图2)：陶瓷基材的尺寸为10mmx10mmx0.5mm(其中，中心5mmx5mm为芯片所占区域，周边2.5mm宽度的区域是为安置4个焊盘所需)。上面有一层铜(厚度为30um)；金属基板的构成(结构参见图3)：基材尺寸为10mmx10mmx1mm，绝缘层厚度为75um，铜层厚度为35um，所用的芯片为CREE的DA3547。

　　我们先按常规方法排列芯片，如图4所示，LED1中的59颗高功耗芯片用红色表示，LED2中的15颗芯片用绿色表示，LED3中的14颗低功耗的芯片用蓝色表示。然后把这个COB基板固定在一块铝板(厚度1.2mm，直径50mm)，这个铝板主要用于代替球泡灯的散热外壳(图5.)，我们假设铝板的边缘温度63.8摄氏度(相当于球泡灯的外壳温度)，同时假设铝板对应芯片所在的表面及芯片的外表面对外的热交换系数为5W/C.m2，环境温度为25oC，其他表面绝热。芯片的热功耗参数参见表1.那么我们先使用SolidWorksSimulation进行模拟，计算一下在Al2O3基板上，这种常规排列的芯片的温度分布如何？从图6可以看到，芯片的最高温度为88.5oC(在LED1串中)，最低温度为75oC(在LED3串中)，这样在这组COB基板上的不同芯片之间就存在13.5oC的温差，这将导致他们的寿命不同。

　　我们从温度分布图(图6)可以想到一种更合理的芯片排列图，就是把LED1串中高功耗的芯片尽量排在温度低外圈，LED3串低功耗的芯片排在温度高的内圈，同时要考虑芯片排列要满足图1电源设计的要求，因此我们有了如图7所示的更合理排列。同样，我们计算了在Al2O3基板上，这种排列的温度分布(图8.)，结果表明：芯片的最高温度为83.3oC(在LED1串中)，最低温度为74.9oC(在LED3串中)，所以这组COB基板上的不同芯片之间就存在8.4度的温差，比常规排列降低了5°。

　　那么我们来看看这两种排列在不同的基板上会有什么影响？表2列出了陶瓷基板(Al2O3，AlN)，金属基板(铝基板，铜基板)主要参数。其中金属基板的参数参见Bergquist公司金属基板MP-06503模拟结果参见表3及图9~14。

　　上面分析的都是针对芯片分布区域为5mmx5mm，由于热源比较集中，会导致芯片温度比较高，如果我们把芯片排满整个Al2O3基板10mmx10mm的区域，芯片的温度会如何？图15给出了芯片按常规排列，分布区域为10mmx10mm的分布图。然后把这个基板放在同图5同样的环境中模拟，可以得到温度分布图(如图16所示)。然后把这两种不同分布区域的结果列入表4。从表4我们可以看到，芯片分布区域10mmx10mm相对于分布区域5mmx5mm的温度分布得到大大的改善。

　　由于AlN基板有比较高的热传导性能，能使LED芯片产生的热量传导到金属外壳，并通过热辐射和空气对流方式散发出去，使LED芯片的热阻降低，散热效果最好，铜基板次之，最差的就是Al2O3，从表3可以看出，对于导热率比较差的Al2O3基板，优化芯片的排列就显的尤为重要。从成本来考虑，对这种功耗分配不均的问题，铜基板是一个不错的选择。同时扩大芯片分布区域也是一个不错的选择。

　　本文分析了不同COB芯片的排列，以及基板对芯片温度的影响。结果表明：合理的配置COB芯片的分布，可以有效的减低由于芯片功耗不同所引起的芯片温度不均衡问题。同时选择合适的基板及扩大芯片分布区域，也可以减低这种不均衡现象。从而保证COB芯片寿命的一致性，并提高其光效和寿命。