 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（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ，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ＣＯＢＬＥＤ光源散热性能，在相同条件下，采用金属铝基板的ＣＯＢＬＥＤ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０．２Ｗ／（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０．１Ｗ的ＬＥＤ灯，其中８０％的转化为热量，即０．０８Ｗ。假设ＬＥＤ热源体积为１ｍｍ×１ｍｍ×０．１ｍｍ。因此单位时间、单位体积所产生的热量为  设置环境温度为３００Ｋ，自然对流换热系数为１０Ｗ／（ｍ２·Ｋ）。散热基板为１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ，其中上表面１ｍｍ×１ｍｍ处被芯片所覆盖，则有效散热面积Ａ＝２３９ｍｍ２。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：６ｍｍ×６ｍｍ×１ｍｍ、７ｍｍ×７ｍｍ×１ｍｍ、８ｍｍ×８ｍｍ×１ｍｍ、９ｍｍ×９ｍｍ×１ｍｍ、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ和１１ｍｍ×１１ｍｍ×１ｍｍ。ＬＥＤ功率均为０．１Ｗ。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６ｍｍ×６ｍｍ×１ｍｍ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。 |
