LED灯作为一种新能源产品,与传统照明设备相比有着发光效率高、节能环保和寿命长等优点。多芯片COB封装的大功率LED面光源能够提供很高的光通量,是目前LED照明产业的一个发展趋势[1, 2, 3]。在目前LED灯的光取出效率还不很高的情况下,LED的发光效率(光通量与功率的比值)已远远超过传统光源,但由于取光效率还不高,LED芯片产生的很多光子不能有效发射到外部,导致其在芯片内部反复折射而被芯片吸收变成热能使芯片温度升高,而温度过高会直接影响到光电器件的性能和寿命,因此LED灯的散热研究显得很重要[4, 5, 6]。对于多芯片COB封装的LED面光源,芯片集成密度高且功率大,封装基板会有温度分布不均匀的情况,由此产生的热应力可能导致芯片剥落的接触不良现象。文中针对多芯片COB封装LED面光源的基板,利用Ansys仿真分析软件模拟分析其温度场。
1 模型介绍文中分析的LED取自一款舞台照明的聚光灯,其结构如图 1所示,包括LED封装、热管散热器以及封装基板与散热器底座之间的热界面材料。多芯片COB封装LED的芯片通过固晶胶焊接在封装基板(如图 2)上,芯片上表面有金线连接形成串并联电路。
LED封装包括100个功率为2 W的LED芯片,呈10×10的阵列,芯片间隔为1 mm。散热器结构由金属基座、6根U形热管、翅片及风扇组成,热界面材料为导热硅脂。简化模型的尺寸及材料参数如表 1所示。
参数 | 芯片衬底 | 固晶胶 | 封装基板 | 热界面材料 | 散热器基座 | 热管 | 翅片 |
材料 | 蓝宝石 | 银胶 | 铝合金 | 导热硅脂 | 铜合金 | 铜/水 | 铝合金 |
导热系数/ (W·(m·K)-1) | 25 | 20 | 201 | 2 | 386 |
5 000(轴向) 386(径向) | 201 |
尺寸/mm2 | 1.15×1.15 | 1.15×1.15 | 40×40 | 40×40 | 40×45 | φ6 | 60×70 |
厚度/mm | 0.15 | 0.05 | 1.5 | 0.08 | 12 | φ6 | 0.5 |
模型简化与假设:1)芯片发光区产生的热量仅向下方封装基板传热然后到散热器散失掉,而通过芯片顶部密封树脂向外散热可以忽略,因为LED是冷光源可以忽略热辐射,且密封树脂的导热系数极低可认为是绝热,因此传热模型中密封树脂不用建模[7, 8, 9]。2)模型中各部分接触良好[10]。3)模拟计算时热管简化为轴向导热系数很高的实体管[11, 12]。4)在LED的工作温度范围内,材料的热物性参数为各向同向且与温度无关[13]。5)每个LED芯片输入功率的80%变成热量。
文中仿真为稳态热分析,考虑到夏季高温时LED灯的工作环境,设定环境温度为303 K。模型的材料参数见表 1,其中大部分参数(如导热系数、芯片及封装尺寸)以厂家提供数据为准,散热器部件的尺寸为游标卡尺测量值。边界条件中散热器翅片表面为强制对流换热,可以忽略辐射散热,散热器风扇风速用热线风速仪测量,测试值为1 m/s。
2 基板的温度场LED封装基板的温度场的模拟结果如图 3所示。为了保证仿真结果的准确性,对比了实际稳定工作中聚光灯的温度测量值,用触点温度计测量了基板上表面的角点处温度为322.4 K,仿真温度为321.2 K,证实了仿真的准确性。仿真过程进行了网格独立性分析,当网格数量为456 448时,基板上表面角点处温度为321.217 K,网格数量为601 535时为321.326 K,两次的误差为0.03%,在允许的误差范围内,说明有限元模型网格质量和数量能够保证仿真结果的可靠性。取基板的对角线路径L1(见图 2)的温度来分析,提取了基板对角线方向不同厚度处的温度数据。以基板中心位置为坐标原点,沿对角线往两端分别为负方向和正方向,由图 4可见,基板上表面对角线穿过的位置点的温度波动很大,温度曲线在穿过芯片集中区时呈波峰波谷状,温度曲线上的每一个波峰都是穿过的芯片粘接位置的中心,波谷为芯片粘接位置周边的间隔,波峰到波谷的斜率很大。基板中间层的对角线路径的温度曲线则表现得比较温和,温度曲线在芯片集中区虽然也有波峰波谷状的变化,但幅度比较小,而且波峰到波谷变化的斜率也比较小。基板底面的对角线路径的温度曲线在芯片集中区没表现出明显的波峰波谷状,整体上平缓。另外,基板上表面、中间层和下表面的对角线路径上的温度曲线在远离芯片集中区的基板边缘位置上表现的比较平缓,而且基本是重合的。
由上述分析可知,基板上表面芯片粘接区的温度分布很不均匀,由于芯片是热源,所以每个芯片粘接处的基板表面温度均高于周围无芯片粘接的间隔处的温度(温差可达3 K),且温度梯度大,远离芯片集中区的基板温度逐渐降低并趋于均匀,基板的最高温度与最低温度相差15.4 K。从基板上表面沿厚度方向往下,基板温度逐层降低并趋于均匀,且在远离芯片集中区,基板厚度方向的温度基本一致。
3 铜基板与铝基板的对比为了降低LED封装内部的温度,可以用高热导率的铜基板来代替铝基板。文中对比了铜基板与铝基板用于多芯片COB封装LED时基板的温度场。图 5显示了封装基板改用铜时,基板中心处厚度方向温度分布的改善情况,图 6显示了铜基板和铝基板上表面横向位置L2及L3(见图 2)温度分布的对比。基板中心处的厚度方向温度数值路径以基板上表面中心为起点直到基板下表面中心结束。
由图 5可以看出,用铜基板代替铝基板可以使基板中心处厚度方向最高温度降低3.3 K,最低温度降低1.4 K,且温度梯度有明显的下降;铝基板中心处厚度方向的路径上端的温度曲线斜率为-5.0,路径下端的温度曲线斜率为-2.72,总的温度梯度为8.13 K/mm。而铜基板中心处厚度方向上的路径上端的温度曲线斜率为-1.65,路径下端的温度曲线斜率为-0.96,总的温度梯度为6.87 K/mm,相对于铝基板降低了1.26 K/mm。
图 6中显示的温度数值路径是基板上表面的中心线(图 2中L3)和靠基板上表面中心最近的一排芯片粘接处的中心线(图 2中L2)。由这2条路径上的温度曲线可以看到,基板上表面最高温度,铜基板比铝基板降低了2.4 K,而在基板边缘处的温度,铜基板的比铝基板的高0.7 K。铝基板L2路径的平均温度为336.4 K,其最高温度与最低温度的温差15.4 K;而铜基板L2路径的平均温度为334.2 K,其最高温与最低温的温差为12.3 K。采用铜基板,温度梯度更小,平均温度可降低2.20 K,有利于提高LED的寿命与工作稳定性。另外,铜基板的温度曲线在芯片集中区的波峰波谷斜率也减小了。所以可以认为,铜基板优于铝基板。
由上述分析可知,高热导率的铜基板由于传热性能更好,用铜基板代替铝基板用于多芯片COB封装的LED,可以使基板整体温度下降且不论是厚度方向的温度梯度还是基板上表面的温度梯度都减小了,而且铜基板相对于铝基板,最高温与最低温的温差也要小,即基板整体温度分布更均匀。
4 结论1)多芯片COB封装LED的铝基板上表面温度分布存在较严重的不均匀性,尤其是在芯片集中区,每个芯片粘接处的基板表面温度高于周围无芯片粘接间隙处的温度。在远离芯片集中区的基板边缘处的温度要远低于基板芯片集中区温度,最高温差达15.4 K。
2)COB铝基板厚度方向存在明显的温度梯度,在芯片集中区其温度梯度达8.13 K/mm,而在边缘区其温度梯度接近于零。
3)用铜基板代替铝基板,上表面芯片集中区最高温度降低2.40 K,基板厚度方向温度梯度由8.13 K/mm降低为6.87 K/mm,其温度梯度更小;同时平均温度可降低2.20 K。采用铜基板有利于提高LED灯的寿命与工作稳定性。
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