一种高功率LED封装的热分析(华中科大-马泽涛-论文).pdf

收稿日期 2005 05 10 光电器件 一种高功率LED封装的热分析 马泽涛1 朱大庆1 王晓军2 华中科技大学1 激光技术国家重点实验室 2 微系统中心 湖北 武汉430074 摘 要 建立了大功率发光二极管 LED 器件的一种封装结构并利用有限元分析软件对其 进行了热分析 比较了采用不同材料作为LED芯片热沉的散热性能 最后分析了L ED芯片采用 chip2on2board技术封装在新型高热导率复合材料散热板上的散热性能 关键词 高功率L ED 芯片热沉 热管理 chip2on2board 中图分类号 TN312 8 文献标识码 A 文章编号 1001 5868 2006 01 0016 04 Thermal Analysis of High2power Light2emitting Diode Packages MA Ze2tao1 ZHU Da2qing1 WANG Xiao2jun2 1 National Laboratory of Laser Technology 2 Institute of Microsystems Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 CHN Abstract A novel package and thermal analysis based on FEA software for high power LED were presented Heat dissipation of different die heat2sink materials was compared Later the heat performance of LED package utilizing chip2on2board technology on a novel composite materials with high thermoconductivity was studied Key words high2power LED heat sink thermal management chip2on2board 1 引言 目前 比较成熟的商品化功率型发光二极管 L ED 输入功率一般为1 W 芯片面积1 mm 1 mm 其热流密度达到了100 W cm2 随着芯片技 术的日益成熟 单个LED芯片的输入功率可以进一 步提高到5 W甚至更高 因此防止L ED的热量累 积变得越来越重要 如果不能有效地耗散这些热 量 随之而来的热效应将会变得非常明显 结温升 高 直接减少芯片出射的光子 取光效率降低 温度 的升高会使得芯片的发射光谱发生红移 色温质量 下降 尤其是对基于蓝光LED激发黄色荧光粉的白 光LED器件更为严重 其中荧光粉的转换效率也会 随着温度升高而降低 因此由于温度升高而产生的 各种热效应会严重影响到L ED器件的使用寿命和 可靠性 在封装过程中 L ED芯片 金线 封装树脂 透 镜 以及芯片热沉等各个环节 散热问题都必须很好 地重视 大多数塑料和环氧树脂暴露在紫外辐射下 都会变黄老化 这种老化随着封装结构温度的增加 会越来越严重 且不可逆转 为了最大限度地减少 L ED封装树脂的老化效应 封装中多余热量应避免 从取光途径散出 为此应通过设计低热阻L ED封装 结构将其芯片产生的大部分热量通过芯片热沉消散 到外界环境 其突破点就是芯片热沉的结构 尺寸 和材料 近年来 关于大功率L ED封装的热问题 国际 上已有很多相关报道 2001年 M Arik等 1 论述了 关于大功率L ED器件级和系统级封装过程中的热 问题 着重比较了采用不同芯片材料以及键合技术 对L ED散热性能的影响 在2003年 建立并分析白 光L ED中荧光粉颗粒的热模型 2 并于2004年通 过有限元分析和实验得到关于LED芯片级封装过 程中的一些关键性热问题 3 4 本文主要针对目前大功率LED器件散热问题 61 SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS Vol 27 No 1Feb 2006 设计出一种有效的封装结构 分析了其等效热阻网 络 并建立了基于热传导和对流的有限元数值模型 着重分析该芯片热沉结构的散热性能 比较芯片热 沉所采用的材料对整个LED封装结构散热性能的 影响 最后还给出了chip2on2board封装技术的有 限元分析结果 2 大功率L ED器件建模 LED芯片结的耗散功率为PD 通过芯片热沉 封装树脂和金线引线框架电极的热传导以及与外界 环境的对流作用 散发到外界环境中 其中芯片热沉 的传导散热起着决定性作用 这里 结 是指半导体 芯片内部的 p2n 结 是芯片产生光子的区域 本文中所使用的是单电极结构的高功率管芯在 半透明SiC衬底上直接长AlGaN有源层 图1所 示为实际高功率L ED的内部结构 L ED芯片用焊 料焊接在表面绝缘的芯片热沉上 芯片电极通过金 线与引线框架连接 芯片外部用硅橡胶或者其他热 稳定性 绝缘性 以及光学透明的树脂材料封装 热 沉四周用塑料材料封装 最后整个LED器件贴在金 属基线路板上 图1 高功率L ED器件的内部封装结构 由于硅橡胶 环氧树脂 荧光粉 以及塑料外壳 封装的低热导率 只考虑热量从芯片到芯片热沉底 部传导的路径 得到一般LED照明系统的简化等效 热阻网络 如图2所示 由图2知 可以把LED照明系统总热阻进一步 分解为从芯片结区到外界环境的传热通道上两个层 次 器件级内部热阻和系统级外部热阻 本文的重 点在于对器件级内部热阻的分析 包括从芯片到芯 片热沉底部之间的热阻 其大小一般由封装结构比 如几何形状 所用材料以及芯片大小决定 这部分可 以通过优化达到最佳效果 图2 L ED系统的等效热阻网络图 LED封装最关心的是芯片的结温Tj 由热阻的 计算公式Rja Tj Ta PD 可以得到结温的表达 式 Tj PD Rja Ta 即热阻越小 在同样大小Ta 和耗散功率PD下 芯片结温升温越小 或者说在达 到同样结温的条件下 能够消耗的功率更大 L ED 器件性能也就越好 为了从根本上解决热量耗散的问题 关键在于 得到器件内部温度场的分布 以指导器件的热设计 使结区的热量有效通过芯片热沉耗散出去 这样就 可以减少LED系统的体积 避免使用外部冷却系 统 从而节约LED系统成本 通过三维有限元分析法对LED器件结构进行 简化处理 由于器件的对称性 只需要建立并分析其 1 4的结构就可得到整个器件的分析结果 在有限元分析中 假定一个恒定的1 W的热流 加载在芯片底面上即有源层生长的地方 管芯的尺 寸设为1 mm 1 mm 厚度为0 25 mm 对流模式 为空气自然对流 热沉的底面的对流系数为10 W m 2 K 透镜外表面对流系数为5 W m2 K 热沉底面直径为7 mm 金属基线路板的直径为20 mm 周围环境温度假设为30 为了简化模型 不 考虑封装过程各层之间的附加接触热阻 表1为单 芯片LED封装所使用的材料及其热导率大小 5 表1 单芯片LED模型中材料热学性能 名 称热传导率 W m 1 K 1 芯片 SiC 350 软焊料36 铜401 铝 6061 金属基线路板178 树脂透镜 塑料0 2 ANSYS有限元计算得到的结果如图3和4所 示 通过数值有限元计算得到了温度场分布 虽然 这并不一定是L ED器件内部的实际温度 但是能大 概得到其相对分布情况 从图3和图4的温度场分 71 半导体光电 2006年2月第27卷第1期马泽涛 等 一种高功率L ED封装的热分析 布可知 用铜和铝 6061 作为L ED芯片热沉 其结 区的最高温度分别约为126 和127 1 最低温 度在透镜的顶点位置 分别约为113 2 和114 2 从结区到芯片热沉底面的热阻分别约为1 3 W和2 W 具有低热阻散热结构 事实上 在芯 片热沉和焊料层之间依次还有很薄的绝缘层和金属 层 因此从结区到芯片热沉底面的热阻会比模拟计 算的大 从两图也可以发现 在金属基线路板底面 上加的对流系数为10 W m2 K 该值为空气自 然对流模式能达到的最大值 芯片结区温度都超过 了120 均超出了半导体芯片所能承受的最高工 作温度 这样L ED芯片就有可能不出光甚至失效 可见在采用空气自然对流模式 10 mm半径的外加 金属散热板不能满足其散热性能 因此L ED器件 要长时间 可靠稳定地工作 还必须采取其他措施 如增大金属基线路板的尺寸 增加外部散热片 来增 大表面的散热总面积 或者采用强制对流模式来增 加表面对流系数 图3 铜芯片热沉封装的温度场 为了能有效地解决L ED器件稳定可靠工作 又 能做到封装结构简单紧凑 本文又提出另一种方案 把半导体封装工艺中的chip2on2board COB 技术 运用到L ED芯片的封装上 即直接将LED芯片封 装在散热基板上 基板选用高热导率新型复合材 料 其内核材料的平面热导率为1 500 W m K 竖直方向上的热导率为25W m K 结构层是铝 纯 材料 通过电路板制作工艺 在复合材料上面分别制 作高导热性能绝缘材料 热导率为2 2 W m K 和敷铜层 线路层 芯片倒装焊在铜层上 图4 铝芯片热沉封装的温度场 图5为L ED芯片采用COB技术封装在复合材 料线路板上的结构图 首先复合材料线路板可以同 时实现电气连接和很好散热功能 而且电热性能分 开 其制作工艺兼容于目前电路板制作流程 技术成 熟可靠 可实现大规模量产 并且采用半导体新型 COB技术封装后 L ED芯片直接封装在基板的铜线 路层上 不用象单个功率型L ED器件那样另外加工 芯片热沉 电极引线框架以及塑料外壳等 能简化 L ED封装工艺 缩短封装流程 节约成本 COB封 装的LED组件中 芯片产生的热量直接通过焊料层 传到铜线路层 然后一方面再通过铜线路层扩散到 周围区域 另一方面把大部分热量依次传递到介质 层 复合材料层 外界环境 图5 复合材料线路板结构示意图 图6 9为单个LED芯片的COB封装温度模 拟分布图 芯片到基板底座之间的热阻约为6 W 芯片上温度梯度约为0 4 复合材料上的温度 梯度约为0 6 而温度梯度比较大的地方主要存 在铜线路层到复合材料之间的绝缘层上 约为5 因此在复合材料线路板制作以及芯片封装过程中 减少焊料层的厚度 适量增加铜层厚度 以及增大铜 81 SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS Vol 27 No 1Feb 2006 层的面积可以将芯片产生的大部分热量吸收到铜层 本身 然后利用铜本身良好的热性能把这部分热量 迅速扩散到周围比较大的区域 增加了与介质层的 热接触的面积 同时由于介质层的热导率只有2 2 W m K FR4为0 2 W m K 大部分热阻 取决于介质层 因此其厚度是影响热阻的决定性因 素 尽量减少介质层的厚度 能大大减少铜线路层到 复合材料散热层的热阻 有利于将铜线路层的热量 传递到散热层 复合材料散热层由于具有良好热性 能 能把热量传递到边界 与环境发生热交换 实际上 COB封装技术和高热导率复合材料的 结合 其优势更加体现在多芯片封装上 形成多芯片 模块组件 有利于提高LED单位封装组件的散热性 能 同时增加单位组件的发光亮度 图6 采用COB 新型复合材料封装温度分布 图7 芯片到铜线路层上的温度场分布 右上角小图为 L ED芯片温度场 图8 导热绝缘层温度分布 图9 新型复合材料内核材料温度分布 3 结论 对于大功率LED器件 由于其输入功率的进一 步提高 更多的热量需要从芯片结区有效地消散掉 因此大功率L ED器件的热管理问题对于L ED封装 技术是一个挑战 本文根据一种L ED实际封装结构建立了基于 热传导 热对流的有限元模型 分析比较了单个芯片 封装器件铜 铝作为芯片热沉时 都可以实现低热阻 封装结构 能提高散热性能 当然这只是在理想的 条件下 不考虑层与层之间的接触热阻 以及由于封 装过程中出现的一些缺陷而导致局部热积累和热膨 胀 外加散热基板面积尺寸很大程度影响芯片的结 温 在空气自然对流下 其直径要大于20 mm才能 使得LED芯片在120 以下工作 而采用的COB 技术封装的L ED模块 绝缘介质层导热性能和厚度 对芯片温度有着关键作用 而线路层的厚度以及面 积的大小能改善芯片热性能 对于两种封装方式 边界温度以及采取的对流方式对整个LED封装温 度仍然有很大的影响 参考文献 1 Arik M Petroski J Weaver S Thermal challenges in the future generation solid state lighting applications light emitting diodes A ASME IEEE International Packaging Technical Conference C Hawaii 2001 2 Arik M Weaver S Becker C et al Effects of localized heatgenerationsduetoth