LED灯封装设制及分析

0引言

LED光源是注入式场致发光光源，靠电子在能带间跃迁发光，没有紫外与红外辐射，因此不会对展品或商品等产生损害。大功率白光LED照明灯与白炽灯、荧光灯相比分别可节省80％～90％和50％的电能，且其寿命高达8～10万小时，是白炽灯的20～30倍，荧光灯的10倍。功率型LED与太阳能电池、电磁感应电池联合使用堪称极具竞争力的绿色光源。与传统光源相比，具有光效高、寿命长、体积小、便于集成、污染小等一系列优点［1，2］。目前LED已成熟应用于特殊照明领域，如军用特种灯、闪光灯、防爆灯、应急灯、手电筒、文物与艺术品照明灯、首饰装饰灯、特种医疗用灯、农作物生长用灯、太阳能LED灯等。而在通用照明领域尚未得到广泛应用，究其原因在于成本和散热技术两个瓶颈。随着芯片技术的日益成熟，单个LED芯片功率已达5W甚至更高，但其中80％之多转化为热能。并且LED芯片有源区面积小，工作电流大，非常容易造成LED芯片的工作温度过高。例如LED输入功率为2．5W，芯片面积为1mm×1mm，则芯片热流密度高达200W／cm2。结果导致LED结温升高、发光效率降低、波长红移、寿命减少、可靠性下降等致命问题［3，4］。研究表明，在室温附近，LED结温每升高1℃，发光强度则会相应地减少1％左右，当器件从环境温度上升到120℃时，亮度下降多达35％。当温度超过一定值时，器件的失效率将呈指数规律攀升。元件温度每上升2℃，可靠性下降10％。因此解决大功率白光LED灯具散热问题显得尤为重要。

本文设计了一种大功率白光LED3芯筒灯的封装结构。然后利用有限元方法计算分析了此灯具的温度场分布，并通过热电偶实验进行验证，在与实验结果吻合的基础上，结合各构件温度场分布与传热学理论，分析了制约大功率LED散热的主要因素，并揭示出一种新型实际可行的封装结构。

1热学建模仿真与实测实验

1．1热学建模与仿真

大功率LED在结构设计上十分重视散热，尤其是大量使用LED模组时，这些极差的转换效率将造成散热困难等问题。因此在设计LED灯具时要严格控制结温，使得LED正常工作时结温不得高于120℃。图1所示为所设计的大功率3芯LED筒灯的实际封装结构，右上角为其外形图。由上至下依次为透镜、芯片、陶瓷衬底、铜箔、锡膏、覆铜铝基板MCPCB、导热硅脂、铝散热器。其中铝散热器总计21个肋片，呈圆形对称分布，每颗芯片对应7个肋片，肋片上端厚3．0mm，下端厚1．5mm，高39．5mm，并在铝制散热器中心设有圆锥通孔。由于环氧树脂的导热性能较差，此处做绝热处理，建模时不予考虑。考虑到灯具实际封装结构的周期对称性特征，直接在ANSYS中对其1／3结构进行建模并划分网格。由于1W单颗LED热辐射仅能带走1．63‰的热量，功率达到2W时辐射热量也仅占6．33‰［5］，故仅考虑热传导与对流对散热的影响。其中主要封装材料的物理属性见表1。灯具所用芯片面积1．2mm×1．2mm，单颗功率为2．5W。设芯片电光转换效率为20％，则芯片的热流密度1．389W／mm2。一般情况下空气自然对流系数为1～10W／（m2•K），此处考虑室内工作环境，灯具内表面对流系数设为2．5W／（m2•K），外表面对流系数设为5W／（m2•K），环境温度均为35．0℃。根据ANSYS有限元仿真计算得到的稳态温度场分布如图2所示。由于芯片体积很小，芯片结温可以近似为陶瓷基板最高温度。因此大功率白光LED芯片最高温度为111．2℃。

1．2实测实验与结温计算

实验采用热电偶测试方法。在外壳中穿孔并将细小的热电偶温度探头埋入其内，并安放于各个需要测试的关键点（如透镜帽表面，器件散热板上、器件周围空气环境，甚至透镜帽内部等）。灯具在通电并达到稳定状态时就可以实时测出内部各关键点温度。本文在环境温度Ta＝35．0℃，电流700mA下，将灯具通电2h以上，达到热稳定状态，便可通过热电偶测量两个参照点（覆铜铝基板引脚和散热器）的温度。热阻是指热量传递通道上两个参考点之间的温度差与两点间热量传输速率的比值，单位为℃／W。热阻为阻止热量传递能力的综合参数，应通过减少热阻以增强传热。热量在物体内部以热传导的方式传递时的热阻称为导热热阻。热量流过两个相接触的固体交界面时，界面本身对热流呈现出的热阻称为接触热阻。根据公式［6］将公式（1）也可表述为实验测得引脚温度TRef＝76．0℃。已知Vf＝3．4V，If＝700mA，RθJ－Ref＝16℃／W。则根据公式（2）可得结温结温仿真结果与实验结果相对误差为2．5％。同时实验测得散热器温度为71．0℃、引脚温度为76．0℃，均与仿真值相差2℃左右。此处误差存在的原因可以归结为自然对流系数的偏差及对辐射传热方式的忽略。

2LED灯具封装稳态温度场分析

由于LED灯具在工作时，各材料间会形成温度梯度，从而形成热应力和材料失配，因此LED灯具的稳态温度场分布显得尤为重要。此外，根据温度分布可以合理设置芯片排放位置、选择材料、优化各部件尺寸等。

2．1理论依据

大功率LED灯具散热途径主要包括热传导和热对流［7，8］。

（1）热传导

热传导是指物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的运动而产生的热能传递称为热传导，简称导热。由Fourier导热基本定律得知，热流密度与温度梯度成正比式中Q为吸收的热量；T1、T2分别为两个物体的温度；k为材料的导热系数；A为导热方向上的截面积；d为导热材料的厚度；q为施加的热流密度，表示单位时间通过单位面积的热流量。式（3）可以改写为对于多层复合材料，其总热阻可以表示为

（2）热对流

热对流是指流动的流体与其相接触的固体表面，具有不同温度时所发生的热量转移过程。按流体产生流动的原因不同，可分为自然对流和强迫对流。按流动性质又可分为层流和紊流。由牛顿冷却公式可知，热流量与表面传热系数成正比由式（4）与式（6）得到的对流换热热阻公式为式中h为对流换热系数；A为换热面积；Tw及Tf分别为壁面温度和流体温度。因此，在设计大功率LED灯具时，应该尽量采取导热系数较大的材料，并且设计较大的换热面积以降低热阻，从而达到降低结温的目的。

2．2稳态温度场分析

通过ANSYS有限元计算，得到了LED灯具各部件的稳态温度场分布。图3所示芯片有源区和陶瓷衬底的温度范围为80．3℃～111．2℃，可以看出纵向（z方向）温度梯度较小，而横向（x－y方向）温度梯度很大。芯片有源区是热量产生区域，由于芯片非常薄，因此它的温度梯度分布取决于陶瓷衬底的导热性能。由公式（4）计算出陶瓷衬底的纵向（z方向）热阻为1．96℃／W。由公式（1）计算出陶瓷衬底的纵向（z方向）最大温差为4．7℃，与模拟结果较吻合。但是有限元结果显示横向最大温差为30．9℃，表明其横向（x－y方向）热阻较大。因此要降低LED结温，可以考虑通过横向（x－y方向）散热将一部分热量通过陶瓷基板外表面的空气对流散失出去，这就需要降低陶瓷衬底的热阻，特别是横向（x－y方向）热阻。可以采用横向（x－y方向）导热率较高的复合性衬底材料，如镀镍的Cu－Mo－Cu复合金属基板（x－y方向210W／m•℃，z方向170W／m•℃）和AlN陶瓷基板（170～210W／m•℃）［9］，或者改变其结构。

通过ANSYS有限元计算，图4，图5得出铜箔温度场分布为80．3℃～85．4℃，锡膏温度场分布为78．4℃～85．3℃，相比之下纵向、横向温差均较小，其主要作用在于将热量纵向（z方向）导出。根据公式（4）得知原因在于其厚度非常薄，并且导热率较高。由ANSYS有限元计算结果得知覆铜铝基板温度场分布为72．9℃～84．7℃，如图6所示，其最大温差为11．8℃，铜箔和锡膏所在位置正下方纵向温差为9．2℃。由公式（5）可知改变覆铜铝基板中导热性能最差的绝缘层对散热影响不大。因此本文提出一种改进方法，如图7所示，将铜箔所对正下方打通，通过铜柱直接与散热器连接，接触面所形成的热通道即能将热量快速有效地输出又保证了MCPCB的电气连接。此前，日本电气化学工业公司开发出AGSP（AdvancedGradeSolid－bumpProcess）基板技术，该技术在绝缘树脂中嵌入导热率较高的铜柱，使得LED产生的热量通过铜柱传至封装外部，但是其工艺相对复杂且成本较高。本文提出的结构采用高导热系数的覆铜铝基板MCPCB并附带散热铜柱，这种基板对于大功率LED封装而言，散热性能良好。

导热硅脂温度场分布为72．9℃～77．4℃，横向（x－y方向）最大温差4．5℃，导热硅脂在LED灯具中的主要作用就是连接MCPCB和散热器，因此主要考虑其在导热通道上的纵向（z方向）热阻，而它的厚度仅有0．1mm，由式（4）可估算出其纵向（z方向）热阻为0．13℃／W左右。虽然热阻很小，但是在高功率下仍会产生较大温差，因此在保证其起到连接作用的前提下，尽量减小厚度。由ANSYS有限元计算结果得知散热器温度场分布为72．6℃～73．8℃，如图8所示。整体最大温差仅为1．2℃，这是由于AL的导热性能较好，热阻较小的缘故。与环境温度相比，散热器温度要高出大约39℃。由公式（7）可知散热器对环境的对流换热热阻很大，降低这部分热阻对解决散热问题意义重大。结合温度场分布可知，散热器结构设计要在有限高度内增大散热面积，可以考虑螺旋状肋片或者增加肋片个数，而并非单一增加散热器肋片的高度。

3结论

本文设计并分析了一种大功率白光LED3芯筒灯的散热封装结构，根据灯具的周期对称性特征，对其1／3结构进行了有限元仿真，得出灯具本身和各个组件的温度场分布，在与实验结果吻合的基础上，结合传热学原理对其进行了热学分析。研究结果表明：（1）陶瓷衬底的纵向（z方向）热阻为1．96℃／W，横向（x－y方向）最大温差为30．9℃，表明横向（x－y方向）热阻较大，需采用复合性衬底材料或者改变其结构。（2）铜箔和锡膏的厚度非常薄，并且导热率较高，所以纵向、横向温差均较小，其主要作用在于将热量纵向（z方向）导出。（3）覆铜铝基板最大温差为11．8℃，铜箔和锡膏所在位置正下方纵向温差为9．2℃。提出另一种封装结构：将铜箔所对正下方打通，直接利用铜柱连接外部散热器，形成快速散热通道，这样即保证了MCPCB的电气连接又能将热量快速有效地输出。（4）散热器整体最大温差仅为1．2℃，但是相比环境温度高出39℃左右。因此降低散热器对外界环境的对流换热热阻亟待解决。