突破散熱與光學瓶頸　COB封裝打造優質LED照明-AET-電子技術應用

突破散熱與光學瓶頸　COB封裝打造優質LED照明

摘要： 此封裝顯示出COB技術由于具備高成本效益以及高設計彈性等特性，因此可成為LED封裝設計工程師另一具有吸引力的替代選擇。

關鍵詞： LED LED照明 COB封裝

Abstract：

Key words :

　　目前LED照明發展已經進入快車道，但是LED的封裝若無法在溫度管理、可靠度以及光學效率方面獲得改善，那全面普及仍是可望而不可及，因此業界開發出采用COB(Chip On Board)方式的LED封裝來滿足LED在照明市場應用上的需求。COB封裝使用金屬核心印刷電路板(MCPCB)來達到最低的熱阻，能夠在70℃散熱片溫度下，以24瓦運作達7,000小時，而不會有任何效能劣化的情況，此結果亦已經過實際測量結果的驗證。

　　本文中將對COB封裝本身以及所搭配散熱片的COB封裝之計算流體動力分析(Computational Fluid Dynamic, CFD)模型建立技術進行討論，同時采用簡化或精簡的CFD仿真模型來簡化系統的溫度管理設計，此封裝顯示出COB技術由于具備高成本效益以及高設計彈性等特性，因此可成為LED封裝設計工程師另一具有吸引力的替代選擇。

　　COB封裝可實現低熱阻/高功率效能

　　LED由于具有卓越色彩飽和度以及長效壽命等特點，因此目前正逐漸進入照明市場，采用LED所面臨的挑戰包括溫度管理與較高組裝成本的問題，此外，該市場也要求在單位光源下具有較高的亮度輸出。傳統的方法是將LED芯片安裝在基體上以構成離散式的LED組件，接著再將這些LED組件安排在印刷電路板(PCB)上形成多重LED光源組合以提升照明度，低功率組件通常使用核心材料為FR4的普通印刷電路板進行二次組裝，在高功率應用則采用金屬核心PCB來強化散熱能力，傳統的做法在需要高亮度輸出密度時會面臨極限，原因是各個LED基體所需的空間、相對較大的焊接點以及LED基體的設計方式，經常會對多芯片電路設計于具備低熱阻效能的單一封裝造成限制。

圖1　安華高科技的3.5瓦、10.5瓦COB白光LED模塊ADJD-xDxx

　　較新的做法是將LED芯片直接安裝在印刷電路板上，因此業界開發出具備即插即用功能，并且完全整合高效率溫度管理的COB封裝來解決這些問題(圖1)。

　　COB封裝的主要目的是提供比現有離散式LED組件更好的效能以進軍照明市場，除了熱阻夠低能改善可靠度表現外，同時還要簡化系統的設計，另外，解決方案的成本也須能與其他光源競爭。

　　COB采用MCPCB取得低熱阻

　　此新做法是直接將LED芯片安裝在印刷電路板上，封裝使用MCPCB來取得最低的熱阻，典型的MCPCB架構是在金屬平面形成電氣走線，并以薄層加以隔離(表1)。

　　電氣走線須采鎳金化合物來提供可焊接的表面，隔離層則要能避免短路同時又不會犧牲太多的散熱速率，隔離層的厚度通常相當薄，以便將熱阻降到最低，同時提供良好的黏合情況，厚隔離層可以吸收線路黏合過程中的超音波功率，選擇鋁核心的主要理由是成本低、散熱能力優良以及與其他核心材料比較佳的抗腐蝕性(表2)。

　　良好的溫度表現

　　在COB封裝中，由于散熱路徑較短，LED芯片由工作中產生的熱能可以有效傳遞至散熱片(圖2)，因為具有這樣的特性，COB封裝可以比傳統離散式組件封裝維持更低的LED芯片接面溫度。

圖2　離散式組件與COB包裝方式的溫度路徑比較

　　LED接面溫度在LED壽命與效能表現扮演相當關鍵的角色，較低的接面溫度由于劣化程度較低，因此壽命較長，此外，LED在溫度較低時，每單位功率輸入的光輸出也較高。簡單來說，COB封裝可讓終端用戶以更少的溫度管理需求或更低的系統成本，得到比傳統離散式組件封裝更好的效能表現。
　　圖1的COB封裝尺寸為100毫米長×18毫米寬，頂部發光型模塊的厚度為3.6毫米，雖然這樣的尺寸相當精簡，但對于24瓦的設備來說，熱阻也只有2℃/W，此代表若最高可允許接面溫度設定在120℃，組件將能夠在70℃的電路板溫度下以最高功率運作。

　　可靠度的強化

　　在目前的LED封裝中，塑料材料由于相當容易制造，因此廣泛受到采用，例如塑料成型的反射罩就被用來將LED芯片側面所發出的光反射到所需的方向，而塑料封裝也被用來保護芯片并形成光輸出的折射用透鏡。但塑料長時間暴露在紫外光與高溫下會逐漸劣化，黃化效應則會造成反射能力的劣化并影響封裝材料的透光度，造成亮度輸出隨著使用時間而下降，這樣的劣化問題對LED背光必須穿透大面積照明時形成挑戰，通常照明市場要求最低至少50,000小時的工作壽命，才能被視為長效或不須維護的設備。

　　24瓦COB封裝使用金屬反射器以及硅樹脂封裝來消除劣化的問題(圖3)，實際的可靠度測量結果顯示，在高溫情況下工作7,000小時后并沒有發生任何劣化情形，圖4是COB封裝在70℃電路板溫度高溫運作下的劣化趨勢曲線圖。

圖3　采用硅樹脂封裝與金屬反射器的COB包裝結構

圖4　COB包裝LED在高溫運作情況下的劣化速度

　　即插即用組裝方案

　　目前照明產業的標準是采用冷陰極燈管(CCFL)，它并不需要回焊程序來安裝，也毋需復雜的溫度管理系統，市場并供應有各種不同的CCFL燈管長度來滿足不同空間限制的需求。

　　CCFL的亮度可透過照明系統更多的燈管來提升，簡單的說，整個組裝過程為即插即用，相當方便，因此，要讓LED成為更具吸引力的選擇，就必須要讓照明單元或照明設備制造商由CCFL轉用LED的過程變得平順簡單。

　　COB封裝LED模塊采用長條狀方式設計，因此能夠依據照明設備的尺寸與亮度要求，透過簡單的水平或垂直方向堆棧來滿足需求，每一COB模塊均提供標準底座以進行電氣連接，由于需要高色彩飽和度時通常會尋求LED解決方案，因此光輸出色彩的選擇也相當重要，例如建筑照明需要各種不同的顏色來裝飾與美化建筑物，而COB封裝的設計就帶來簡單的做法。電力連接方式與電路安排的改變讓封裝能夠隨時依照客戶需求的不同來選用不同的LED芯片組態，在白光LED模塊外，同時也提供采用類似外觀封裝的24瓦紅、綠與藍光LED模塊，此外，也透過客制化的反射器設計來改變光輸出的發射模式，圖5為具有類似基體的24瓦紅、綠與藍色頂部發光與側面發光型式的LED模塊。

圖5　COB包裝紅、綠與藍光LED模塊

　　COB模塊的安裝可以使用M3螺絲來達成，因此可免除使用在傳統離散式LED產品組裝程序中的復雜回焊程序，溫度管理系統的設計也須簡化，以便吸引照明設備制造商由CCFL轉而采用LED。

　　COB封裝的溫度特性量測

　　就COB封裝以及搭配散熱片的COB封裝進行紅外線測量，測量樣品與測量點分別顯示在圖6與圖7，樣品上用來測量的特定區域具備已知散熱率的聚鶜亞胺高溫膠帶黏貼，在此不對紅外線測量安排的細節多做介紹。

圖6　電路板溫度與點亮時間長度的相對關系

圖7　COB包裝的測量樣品與紅外線圖

　　受測COB封裝以5.5瓦推動，搭配散熱片的COB封裝則以18瓦推動，所有測量結果都在電路板達到溫度飽和后才開始進行(圖6)，由測量樣品所取得的紅外線圖可參考圖7與圖8。

圖8　搭配散熱片COB包裝的測量樣品與紅外線圖

　　為確保紅外線測量結果的正確性，使用熱電偶來加以驗證，由熱電偶所測量的結果相當符合(表3)。

　　表3　模擬與實驗結果的比較

　　

　　透過CFD軟件做溫度仿真

　　使用CFD軟件Flotherm作為溫度仿真，Flotherm采用有限值法解決方案，并以方程式來描述物質轉換、瞬間以及三度空間的流動能量。

　　基本條件假設

　　在進行CFD分析時，假設有三維空間、穩定狀態、氣流速度為0.2m/s、空氣特性穩定、環境溫度為25℃、運算范圍為400毫米×400毫米×150毫米以及熱透過正常對流以及傳導與輻射方式散熱的情況。

　　COB封裝以及搭配散熱片COB封裝模型的整體閘格單元數分別接近四十萬與一百六十萬，在閘格設置建議于散熱片的鰭片之間，至少使用三個單元。

　　LED模塊模型建立

　　芯片、鋁質反射器、硅樹脂封裝、散熱片以及芯片黏著層都以單一立體方塊來架構模型，使用立體方塊的重點是其永遠包含一或多個有限數量的閘單元，此代表每一方塊所代表的物質溫度均以每一獨立閘單元計算。

　　在芯片黏著層上總共有五十個芯片，每個紅色芯片以0.5毫米寬×0.5毫米長×0.225毫米高的方塊來代表，每個綠色與藍色芯片則以0.376毫米寬×0.376毫米長×0.25毫米高代表，并在紅色芯片的頂部以及綠色與藍色芯片的底部表面加入五十個不同功率的發熱源，其中藍色與綠色芯片采用覆芯片方式。

　　由于LED的高密度搭配超薄的芯片黏著層，因此要完成模擬需要較長的計算時間，而這樣詳細的溫度模型在模塊出現于大系統模型下通常不太實際，因此將詳細模型簡化成搭配散熱片COB封裝的精簡模型，將可以有效縮短計算時間。

　　對精簡模型來說，芯片黏著層的五十個芯片以單一正方形方塊取代，表4顯示沒有使用在精簡模型中的溫度特性，芯片的新等效溫度特性則由詳細模型的結果取得。

　　此外，介電層、銅箔走線、基體上的焊接材料以及導熱膠帶都加以記錄考慮，這些材料的熱傳導能力由表3中所列出的文件中取得，在具備經陽極化處理鋁材料散熱片中并考慮了輻射效應。

　　熱阻的計算

　　熱流會垂直通過芯片、芯片黏著層，介電層接著直通到基體，每個獨立芯片就形成并聯的熱阻，由芯片到基體的整體熱阻值Rjb-T可透過以下方程序取得：

　　1/Rjb-T=X/Rjb-R+Y/Rjb-G+Z/Rjb-B　　　　(1)

　　其中X、Y、Z分別為紅、綠與藍光LED的芯片數，Rjb-R、Rjb-G與Rjb-B的熱阻可以使用以下方程式進行計算：
　　Rjb=TJunction–TBoard/Power　　　　(2)

　　圖1中包含二十個紅色芯片、二十個綠色芯片與十個藍色芯片的COB封裝熱阻可由下列方程式表示：

　　1/Rjb=20/Rjb(R)+20/Rjb(G)+10/Rjb(B)

　　Rjb=1/[20/Rjb(R)+20/Rjb(G)+10/Rjb(B)]　　　　(3)

　　其中模擬結果Rjb(R)=100oC/W，Rjb(G)= Rjb(R)則為80oC/W，以這樣的結果為基礎，整體熱阻計算值為1.74oC/W，接近2oC/W。

　　CFD模擬的結果與比較

　　圖4顯示在相同電路板溫度下仿真與實驗結果的比較，它包含有頂部發光型COB封裝，側面發光型COB封裝以及搭配散熱片的側面發光型COB封裝，其中前兩個封裝以詳細模型進行，而最后一個則使用精簡模型技術，原因是封裝上額外搭配的散熱片須要考慮更多的閘單元，因此會拉長計算時間，此外，在文中也想要證明精簡模型的結果事實上并不會與詳細模型有太大的差異。

　　圖1的頂部與側面發光型COB封裝使用相同的MCPCB設計，但采用不同的鋁反射器設計，不過側面發光型COB封裝由于擁有較大的反射區可協助散熱，因此預料側面發光型COB封裝的電路板溫度仿真結果將低于頂部發光型COB封裝，此推論也經由實際測量數據與仿真結果取得驗證。

圖9與圖10分別提供側面發光型COB封裝以及搭配散熱片COB封裝的可視化模擬結果。

圖9　側面發光型COB包裝的可視化結果