善用CFD模拟散热效能缩减高功率LED开发时程.doc

善用CFD模擬散熱效能縮減高功率LED開發時程新電子 2008 年 6 月號 267 期文Oon Siang Ling高功率LED的應用日益擴大，但散熱問題仍是廠商頭痛的課題，而現可藉由計算動力分析模型進行LED封裝的熱能分析，以降低產品設計初期的複雜度，加快產品上市時程。高功率、高亮度發光二極體(LED)由於具有良好的色彩飽和度、長效壽命，目前正逐漸切入眾多照明應用，不過要如何避免LED過熱，卻是散熱設計工程師必須面對的重大考驗，因此在設計過程中，計算流體動力分析(Computational Fluid Dynamic, CFD)模型的重要性也愈益突顯。本文中將比較採用星形金屬核心印刷電路板(MCPCB)的高功率LED，包裝在搭配與未使用散熱片情況下的實驗結果，在進行比較討論後，將提供一個應用在搭配散熱片LED包裝上的溫度模型建立技術，由此看來，採用CFD模型所取得的結果相當可行，同時也展現出此項技術可應用在LED系統層級的評估上，文章中並將討論在LED包裝上採用散熱介面材料(Thermal Interface Material, TIM)所帶來的效應。 預估LED散熱簡化產品設計 能夠預先推估LED的散熱效能表現，對協助設計工程師有效縮短採用LED產品的上市時間已是不容忽略的事實，不過，當熱能流動與封裝密度越來越高時，LED封裝模組的散熱設計就變得更加困難，同時模組的設計與熱能分析也更為重要，因此CFD的模擬已成為電子產品設計初期熱能分析普遍使用的方法，CFD主要包含有流體流動、熱傳導以及熱幅射等相關程序的數值模擬分析。 本篇文章提出建立一個帶有散熱片高功率LED星形封裝的步驟，首先針對採用星形基體的LED封裝建立詳細的模型，接著在LED星形封裝的底部加上散熱片，最後再將模擬結果與實驗數據進行比較。 文章的另一個重點則在於TIM對LED封裝帶來的影響，主要目的是用來找出不同介面厚度(Bond Line Thickness, BLT)散熱介面材料的特性，以及材料中空隙的百分比。 依溫度模型建立技術 採用星形基體的LED封裝使用Flomeric出品的CFD工具Flotherm來建立模型。 模型描述為首要工作 首先建立詳細的模型，以便找出與實際測量結果間的誤差百分比，LED封裝的詳細尺寸參數以及包裝材料的熱傳導能力參考表1。 表1帶散熱片LED星狀包裝的結構細節以及包裝材料的導熱能力編號零組件材料熱傳導能力(W/m.K)尺寸1導線架銅364請參考前述2反射物塑膠0.28.5毫米8.5毫米3.3毫米3晶片藍寶石2340 mils晶片4晶片接合物銀膠2.510微米厚5密封材料矽樹脂0.2-6金屬化表面銅38535微米厚7介電質層氧化鋁875微米厚8散熱介面材料11.5-601050微米厚9導熱膠帶20.125毫米厚10散熱片陽極氧化鋁200110根鰭片，基底為23毫米x23毫米x1.5 毫米、鰭片高8毫米、厚0.8毫米、鰭片間隔1毫米。圖1分別為LED封裝的前視圖與布局安排，封裝與基體間加入焊膏，當包裝達到1.3瓦的最大功率時，使用標準的自然與強制對流空氣散熱方式，並無法將接面溫度維持在125以下的可接收範圍內，因此須加上散熱片以能符合目標溫度的要求，要將散熱片封裝在LED上，首先要把導熱膠帶黏貼在散熱片後端，接著將散熱片封裝在LED基體的底部。 圖1上圖為安華高科技Moonstone星形包裝功率LED ASMT-Mx09的前視圖與側視圖。下圖為採用星形包裝的LED產品ASMT-Mx09。再設定柵格/邊界條件 要進行CFD分析，須先假設三維空間、穩定狀態、穩定氣流、空氣特性穩定、環境溫度為25、計算範圍為305毫米305毫米305毫米，以及散熱方式透過自然散熱、熱傳導與熱輻射的條件。 詳細散熱片模型的基體LED包裝整體柵格數大約為二十萬個，在柵格數設定上，建議在散熱片每個鰭片間至少使用三個。 剖析熱阻/數值/實驗結果 接著要計算熱阻、數值分析以及實驗結果。 測量介電層以計算熱阻 要計算垂直通過晶片的熱阻，須測量晶片黏合層、晶片墊片、TIM、散熱片以及與基體間的介電層，每階層都各自擁有自己的導熱特性(表2)，其中通過晶片，也就是接面到外部環境的熱阻RJA可透過方程式(1)、(2)加以計算：RJARJ-MS+RMS-A-(1) RMS-A(TMSTA)/Power -(2) 其中RJ-MS10 /W RJA代表熱能由LED晶片傳遞到外界的能力，也就是說，RJA的數值越低、散熱效能越好，圖2分別顯示封裝結構的3D、2D橫切面圖，有助於了解整個散熱路徑。 圖2上圖為LED星狀包裝的3D剖面圖，下圖為帶散熱片LED星狀封裝的2D剖面圖。進行數值分析/實驗結果分析 安排在MCPCB上的LED封裝通常採用鋁擠方式做為基底，一百一十根鰭片的鰭片型散熱片則透過導熱膠帶黏貼在星形MCPCB背面，封裝以1.2瓦驅動，焊接點的溫度TMetalSlug則透過安排在封裝散熱塊上的熱電偶加以測量(圖3)，測量只有在溫度到達穩定時才進行。 圖3Moonstone LED封裝上的測量點表2為模擬模型結果與測量數據的比較，視覺化模擬結果分別顯示在圖4，當模擬結果溫度高於測量溫度時，代表數值模型忽略部分的冷卻現象。 表2模擬結果與測量數據的比較項目RJA (/W)實際測得數據RJA (/W)模擬結果誤差率 (%)無散熱片的星形MCPCB包裝44476搭配散熱片的星形MCPCB包裝28307圖4上圖為LED星形封裝的視覺化模擬結果，下圖為詳細散熱片模型的MCPCB LED封裝視覺化模擬結果。TIM協助LED散熱角色吃重 TIM在幫助LED封裝時，將熱能傳導到電路板或散熱片上扮演相當重要的角色，在圖2中，TIM 1位於LED封裝與基體間，使用不同的熱傳導值以及不同的BLT來進行模擬。 由圖5中可看出，帶散熱片基體Moonstone封裝的介面厚度越厚，介面熱阻受到TIM 1材料熱傳導能力的影響就越明顯，圖中顯示，當介面厚度提高時，熱阻的增加會更容易受到熱傳導能力的影響，不過不同熱傳導值、介面厚度間的影響並不明顯。 圖5TIM對熱阻RJA的影響。兩個實體表面間的空氣間隙會降低熱傳導能力，TIM則可用來將兩個相鄰實體表面黏合並提高LED散熱塊(發熱源)與金屬核心PCB/FR4 PCB(散熱片)間的接觸面積，因此能夠降低這個連接面的溫度差。 圖6中的RJA預估值為TIM 1接觸面品質對散熱效能影響的數值模擬研究結果，其中假設唯一的空隙點位於整體體積的中心區域。 圖6TIM 1接觸面積百分比大小對RJA的影響。RJA最高大約增加2%，同時只在接觸面積區域為85%時會發生，此代表夾在TIM 1內部的空隙可高達15%，而不會造成明顯的散熱效能影響，不過，由於模型的一些假設條件，這個預估結果的誤差率有可能達到20%，因此須進行其他實驗來驗證這個數據。 表3列出TIM材料的特性以及可用性，這些TIM材料在市場相當普遍，各有其優劣勢。 表3TIM的可用性材料型式典型組成優點缺點BLT(mil)熱傳導能力 (W/m-K)導熱油膏AIN1、Ag、ZnO、矽油 可重複使用熱傳導能力較低1.02.035銀膠環氧數脂, Ag可應用在幾乎所有表面，過程簡單且處理容易不可重覆使用1.02.0220焊錫純In、In/AG、Sn/Ag/Cu、In/Sn/Bi熱傳導能力佳需要高溫迴焊，不可重覆使用2 .05.03050提高散熱效能方案紛出爐 除了使用TIM材料來強化散熱效能外，尚有一些可用來改善散熱能力設計的方法，包括散熱片的尺寸、表面結構以及面向的安排；採用系統機殼氣流路徑設計加強自然對流冷卻；以及使用主動式冷卻系統，如風扇或導熱管來移除熱空氣，並協助自然對流冷卻。 這個研究展現出CFD的模型建立技術如何應用，以模擬帶散熱片的LED星形封裝，結果清楚地顯示，模擬模型可提供相當符合實際測量