最新陶瓷cob封装的散热探讨

陶瓷c o b封装的散热
探讨
陶瓷COB封装的散热探讨
陶瓷COB封装的散热探讨
摘要：本文通过对陶瓷COB封装的散热进行分析讨论，从LED 热量的产生原因，基板材料的分析，到散热方法的分析比较，分析了它的优点和缺点。

关键词：LED封装散热陶瓷COB基板
所谓COB封装（Chip on Board），是指LED芯片直接在基板上进行绑定封装。

也就是指将N颗LED芯片绑定在金属基板或陶瓷基板上，成为一个新的LED光源模组。

由于芯片结温的高低直接影响到LED出光效率、色度漂移和器件寿命等参数，如何提高封装器件散热能力、降低芯片温度成为COB结构设计中亟需解决的关键技术环节。

对于高功率COB LED的封装散热难题，确保LED产品在高功率运作下的材料稳定性与光衰稳定性，以陶瓷作为散热及金属?线基板的趋势已日渐明朗。

1、LED热量的产生原因
与传统光源一样，半导体发光二极管（LED）在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。

LED 在正向电压下，电子从电源获得能量，在电场的驱动下，克服PN 结的电场，由N 区跃迁到P 区，这些电子与P 区的空穴发生复合。

由于漂移到P 区的自由电子具有高于P 区价电子的能量，复合时电子回到低能量态，多余的能量以光子的形式放出。

发出光子的波长与能量差 Eg 相关。

电子在二极管内部的路途中，都会因电阻的存在而消耗功率。

所消耗的功率符合电子学的基本定律：
式中：RN 是N 区体电阻
VTH 是PN 结的开启电压
RP 是P 区体电阻
消耗的功率产生的热量为：
式中：t 为二极管通电的时间。

它所它所消耗的电功率为：
式中：ULED 是LED 光源两端的正向电压
ILED 是流过LED 的电流
这些消耗的电功率转化为热量放出：
（1-4）
式中：t 为通电时间
2、LED散热问题分析
早期单芯片LED的功率不高，单芯片的炮弹型封装逐渐发展成扁平化、大面积式的多芯片封装模块；其工作电流由早期20mA左右的低功率LED，进展到目前的1/3至1A左右的高功率LED，单颗LED的输入功率高达1W以上，甚至到3W、5W。

第一、采用金属基板。

传统LED功率不大，散热问题不严重，只要运用一般电子用的铜箔印刷电路板即足以应付，但随着高功率LED越来越盛行，此板已不足以应付散热需求，因此需再将印刷电路板贴附在一金属板上，即所谓的MetalCorePCB，以改善其传热路径。

第二、采用陶瓷基板及金属复合基板。

高功率LED封装及芯片直接粘着基板的发展，基板材料的选用除考虑散热性外，还必须考虑与芯片的热膨胀系数相匹配问题，以避免热应力引起的热变形及可靠度问题。

这些新开发的基板材料不但具有良好的散热性，同时热膨胀系数（介于4～8ppm/K）与LED芯片均相匹配。

3、陶瓷基板与金属复合基板的温度比较
某产品的动态控制开关重新组合LED串接方式的电源，把88颗芯片分为3串（LED1，LED2，LED3），如图1。

假设88颗芯片的总功耗为7.4W，其中LED1中有59颗，功耗为76.4%；LED2中有15颗，功耗为14.8%；LED3中有14颗，功耗为8.7%.从图1可以看出，88颗芯片要用一条线串起来，同时还要有4根线连到芯片排列组合的外围，用来配合电源连接。

这里假设陶瓷基板构成（结构参见图2）：陶瓷基材的尺寸为10mmx10mmx0.5mm（其中，中心5mmx5mm为芯片所占区域，周边
2.5mm宽度的区域是为安置4个焊盘所需）。

上面有一层铜（厚度
为30um）；金属基板的构成（结构参见图3）：基材尺寸为
10mmx10mmx1mm，绝缘层厚度为75um，铜层厚度为35um，所用的芯片为CREE的DA3547。

按常规方法排列芯片， LED1中的59颗高功耗芯片，排在前面，LED2中的15颗芯片排在中间，LED3中的14颗低功耗的芯片排在后面。

要考虑芯片排列要满足图1电源设计的要求，因此我们有了更合理排列，LED3中的14颗低功耗的芯片放在中间，LED2中的15颗芯片排在LED3的四周，LED1中的59颗高功耗芯片放在最外面。

然后把这个COB基板固定在一块铝板（厚度1.2mm，直径
50mm），这个铝板主要用于代替球泡灯的散热外壳。

这两种排列在不同的基板上会有什么影响？表1列出了陶瓷基板（Al2O3，AlN），金属基板（铝基板，铜基板）主要参数。

其中金属基板的参数参见Bergquist公司金属基板MP-06503模拟结果参见表2。

由于AlN基板有比较高的热传导性能，能使LED芯片产生的热量传导到金属外壳，并通过热辐射和空气对流方式散发出去，使LED芯片的热阻降低，散热效果最好，铜基板次之，最差的就是
Al2O3，从表2可以看出，对于导热率比较差的Al2O3基板，优化芯片的排列就显的尤为重要。

从成本来考虑，对这种功耗分配不均的问题，铜基板是一个不错的选择。

结果表明：合理的配置COB芯片的分布，可以有效的减低由于芯片功耗不同所引起的芯片温度不均衡问题。

从而保证COB芯片寿命的一致性，并提高其光效和寿命。

4、总结
在LED产业中，为了节省多颗LED芯片设计的系统板空间问题，在高功率LED系统需求中，便开发出直接将芯片黏贴于系统板的COB技术。

COB的优点在于：高成本效益、线路设计简单、节省系统板空间等，陶瓷COB基板有以下几点好处：（1）薄膜工艺，让基本上的线路更加精确；（2）量大降低成本；（3）可塑性高，可依不同需求做设计。

本文主要讨论了陶瓷COB封装的散热问
题，分析了它的优缺点，有利于解决高功率LED的缺陷，从而更好地利用起来。

参考文献
[1] 陈元灯，陈宇.LED制造技术与应用（第二版）[M]，2006
[2] 马泽涛，朱大庆，王晓军.一种高功率LED封装的热分析[J].半导体光电，2006（01）
[3] 祁姝琪，丁申冬，秦会斌等.基于COB技术的LED散热性能分析[J]，电子与封装，2012（8）
基金项目：
2012年度广东科技学院院级科研项目（GKY-2012KYYB-12）
------------最新【精品】范文。