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LED的COB封装热仿真设计 兰 海1,2 邓种华1 刘著光1 黄集权1 曹永革1* (1.中国科学院福建物质结构研究所, 福州350002 2.中国科学院研究生院, 北京100049) 摘要: 本文通过对COB封装中常用的陶瓷基板和金属基板这两类不同的基板材料进行有限元热仿真模拟,获得各自芯片到基板的仿真热阻；再使用红外热成像仪得到两种基板各自的表面温度分布情况并计算出实际热阻。仿真热阻与实际热阻的相一致性表明了所采用的仿真计算方法的可用性；最后利用有限元仿真对COB封装的热管理方案进行优化分析。研究表明：相对于金属基板，陶瓷基板由于无绝缘层这一散热瓶颈，其芯片到基板的热阻值约为金属基板封装方案的1/2；而且陶瓷基板有着更大的热管理优化空间，能更好得满足大功率LED封装的散热需要。 关 键 词：COB封装 有限元分析 热仿真 1 引言： 最近几年，发光二极管(Light-Emitting Diode，LED) 的应用随着其功率和光效的提高迅速普及。而随着芯片功率的不断提高，大功率LED所面临的散热问题也越发严重。如果器件热管理方面的设计不当，LED 芯片结温过高，则有可能使荧光粉效率降低，从而降低光效并影响LED色温[1]，甚至导致器件寿命减短或永久性不可逆损坏 。因此，LED散热问题已经成为大功率LED照明发展的一大瓶颈，对于良好的LED热管理设计的需要已迫在眉睫。然而，依靠灯具外壳结构上的改进所提升的散热效果已趋近饱和，寻求拥有更好散热效果的封装方式就成为了目前解决LED散热问题的重要途径。常规的封装方式有直插式、SMD（Surface Mounted Devices）和COB（Chips on board，板上芯片封装）等。其中，COB封装，与直插式和SMD封装技术相比，不仅能够节约空间、简化封装作业，而且还能通过基板直接散热，从而具有更高效的热管理方式。此外，COB封装不需要回流焊，从而可以避免高温对芯片造成伤害；同时，由于不需要购买贴片机和焊接等设备，也降低了成本[2]。 由于LED 封装器件体积小、内部结构复杂, 难以用一般的实验方法准确测量其内部温度分布以考察其热管理设计的好坏。而采用计算机有限元分析则可以预测器件内部的温度、应力等物理量的变化，并可以快速方便的进行结构优化设计从而得到最优化的设计方案[3]。本文针对目前市面上较为常见的两种COB封装方式（金属基板封装和陶瓷基板封装）进行计算机有限元分析和优化，分别指出两种封装方式各自存在的不足，并对每种封装方式所能实施的改进提出了优化方案。同时通过实验验证了仿真结果的可靠性。 基金项目：中科院院地合作项目:(DBSH-0211-024);中科院重要方向性项目: (KJCX2-EW-H07);福建省重大专项: (2010HZ0005-2); 作者简介：兰海（1988－），男，福建省莆田市人，主要从事LED热管理研究。 E-mail: lanhai09@fjirsm.ac.cn，Tel.:曹永革：通讯联系人；E-mail: caoyongge@fjirsm.ac.cn，Tel.:2 封装结构简介 图1 COB封装方式的结构示意图 Fig.1 Structure of COB package 图1为COB封装方式的结构示意图，COB封装方式即利用固晶设备将LED芯片直接封装于散热基板上，再利用焊线设备把基板上的电极和LED电极用金线或铝线连接好，之后再根据不同的结构设计进行点胶。目前COB封装方式有两种不同封装方案：金属基板封装和陶瓷基板封装。其中，对于金属基板，出于用电安全的考虑，散热基板须采用绝缘材料或者镀上一层绝缘膜以防止由于导线与基板接触而引起的短路并导致漏电。而陶瓷基板由于本身是绝缘体，因此可以直接在基板上进行封装。本文针对上述两种不同的基板材料所带来的不同热管理方案进行分析和实验。 图2为COB封装的建模结构示意图。如图2(a)所示，金属基板的COB封装结构从下到上分别是：基板、绝缘层、固晶胶、LED芯片；陶瓷基板的封装结构则是基板上少一层绝缘层(图2b)。两种封装结构的各部分参数均为：基板直径40mm，厚度1.6mm；芯片大小为0.584×0.432×0.1mm，固晶胶厚度取0.005mm，金属基板上的绝缘层厚度为0.16mm。由于点胶封装所采用的环氧树脂和硅胶的热导率不高，因此芯片产生的热量绝大部分经固晶胶、铝基板这一散热途径传导到灯具外壳,然后通过灯具外壳上的散热鳍片向大气散出[4]。 (a) (b) 图2 (a)金属基板剖面示意图 (b)陶瓷基板剖面视图 Fig.2 Cross section o