突破散热与光学瓶颈　COB封装打造优质LED照明 (

　　目前LED照明发展已经进入快车道，但是LED的封装若无法在温度管理、可靠度以及光学效率方面获得改善，那全面普及仍是可望而不可及，因此业界开发出采用COB(Chip On Board)方式的LED封装来满足LED在照明市场应用上的需求。COB封装使用金属核心印刷电路板(MCPCB)来达到最低的热阻，能够在70℃散热片温度下，以24瓦运作达7,000小时，而不会有任何效能劣化的情况，此结果亦已经过实际测量结果的验证。

　　本文中将对COB封装本身以及所搭配散热片的COB封装之计算流体动力分析(Computational Fluid Dynamic, CFD)模型建立技术进行讨论，同时采用简化或精简的CFD仿真模型来简化系统的温度管理设计，此封装显示出COB技术由于具备高成本效益以及高设计弹性等特性，因此可成为LED封装设计工程师另一具有吸引力的替代选择。
 
　　COB封装可实现低热阻/高功率效能

　　LED由于具有卓越色彩饱和度以及长效寿命等特点，因此目前正逐渐进入照明市场，采用LED所面临的挑战包括温度管理与较高组装成本的问题，此外，该市场也要求在单位光源下具有较高的亮度输出。传统的方法是将LED芯片安装在基体上以构成离散式的LED组件，接着再将这些LED组件安排在印刷电路板(PCB)上形成多重LED光源组合以提升照明度，低功率组件通常使用核心材料为FR4的普通印刷电路板进行二次组装，在高功率应用则采用金属核心PCB来强化散热能力，传统的做法在需要高亮度输出密度时会面临极限，原因是各个LED基体所需的空间、相对较大的焊接点以及LED基体的设计方式，经常会对多芯片电路设计于具备低热阻效能的单一封装造成限制。

 
图1　安华高科技的3.5瓦、10.5瓦COB白光LED模块ADJD-xDxx

　　较新的做法是将LED芯片直接安装在印刷电路板上，因此业界开发出具备即插即用功能，并且完全整合高效率温度管理的COB封装来解决这些问题(图1)。

　　COB封装的主要目的是提供比现有离散式LED组件更好的效能以进军照明市场，除了热阻够低能改善可靠度表现外，同时还要简化系统的设计，另外，解决方案的成本也须能与其他光源竞争。

　　COB采用MCPCB取得低热阻

　　此新做法是直接将LED芯片安装在印刷电路板上，封装使用MCPCB来取得最低的热阻，典型的MCPCB架构是在金属平面形成电气走线，并以薄层加以隔离(表1)。

　　电气走线须采镍金化合物来提供可焊接的表面，隔离层则要能避免短路同时又不会牺牲太多的散热速率，隔离层的厚度通常相当薄，以便将热阻降到最低，同时提供良好的黏合情况，厚隔离层可以吸收线路黏合过程中的超音波功率，选择铝核心的主要理由是成本低、散热能力优良以及与其他核心材料比较佳的抗腐蚀性(表2)。

　　良好的温度表现

　　在COB封装中，由于散热路径较短，LED芯片由工作中产生的热能可以有效传递至散热片(图2)，因为具有这样的特性，COB封装可以比传统离散式组件封装维持更低的LED芯片接面温度。

 
图2　离散式组件与COB包装方式的温度路径比较

　　LED接面温度在LED寿命与效能表现扮演相当关键的角色，较低的接面温度由于劣化程度较低，因此寿命较长，此外，LED在温度较低时，每单位功率输入的光输出也较高。简单来说，COB封装可让终端用户以更少的温度管理需求或更低的系统成本，得到比传统离散式组件封装更好的效能表现。
　　图1的COB封装尺寸为100毫米长×18毫米宽，顶部发光型模块的厚度为3.6毫米，虽然这样的尺寸相当精简，但对于24瓦的设备来说，热阻也只有2℃/W，此代表若最高可允许接面温度设定在120℃，组件将能够在70℃的电路板温度下以最高功率运作。

　　可靠度的强化

　　在目前的LED封装中，塑料材料由于相当容易制造，因此广泛受到采用，例如塑料成型的反射罩就被用来将LED芯片侧面所发出的光反射到所需的方向，而塑料封装也被用来保护芯片并形成光输出的折射用透镜。但塑料长时间暴露在紫外光与高温下会逐渐劣化，黄化效应则会造成反射能力的劣化并影响封装材料的透光度，造成亮度输出随着使用时间而下降，这样的劣化问题对LED背光必须穿透大面积照明时形成挑战，通常照明市场要求最低至少50,000小时的工作寿命，才能被视为长效或不须维护的设备。

　　24瓦COB封装使用金属反射器以及硅树脂封装来消除劣化的问题(图3)，实际的可靠度测量结果显示，在高温情况下工作7,000小时后并没有发生任何劣化情形，图4是COB封装在70℃电路板温度高温运作下的劣化趋势曲线图。

 
图3　采用硅树脂封装与金属反射器的COB包装结构

 
图4　COB包装LED在高温运作情况下的劣化速度

　　即插即用组装方案

　　目前照明产业的标准是采用冷阴极灯管(CCFL)，它并不需要回焊程序来安装，也毋需复杂的温度管理系统，市场并供应有各种不同的CCFL灯管长度来满足不同空间限制的需求。

　　CCFL的亮度可透过照明系统更多的灯管来提升，简单的说，整个组装过程为即插即用，相当方便，因此，要让LED成为更具吸引力的选择，就必须要让照明单元或照明设备制造商由CCFL转用LED的过程变得平顺简单。

　　COB封装LED模块采用长条状方式设计，因此能够依据照明设备的尺寸与亮度要求，透过简单的水平或垂直方向堆栈来满足需求，每一COB模块均提供标准底座以进行电气连接，由于需要高色彩饱和度时通常会寻求LED解决方案，因此光输出色彩的选择也相当重要，例如建筑照明需要各种不同的颜色来装饰与美化建筑物，而COB封装的设计就带来简单的做法。电力连接方式与电路安排的改变让封装能够随时依照客户需求的不同来选用不同的LED芯片组态，在白光LED模块外，同时也提供采用类似外观封装的24瓦红、绿与蓝光LED模块，此外，也透过客制化的反射器设计来改变光输出的发射模式，图5为具有类似基体的24瓦红、绿与蓝色顶部发光与侧面发光型式的LED模块。

 
图5　COB包装红、绿与蓝光LED模块

　　COB模块的安装可以使用M3螺丝来达成，因此可免除使用在传统离散式LED产品组装程序中的复杂回焊程序，温度管理系统的设计也须简化，以便吸引照明设备制造商由CCFL转而采用LED。

　　COB封装的温度特性量测

　　就COB封装以及搭配散热片的COB封装进行红外线测量，测量样品与测量点分别显示在图6与图7，样品上用来测量的特定区域具备已知散热率的聚鶜亚胺高温胶带黏贴，在此不对红外线测量安排的细节多做介绍。

 
图6　电路板温度与点亮时间长度的相对关系

 
图7　COB包装的测量样品与红外线图

　　受测COB封装以5.5瓦推动，搭配散热片的COB封装则以18瓦推动，所有测量结果都在电路板达到温度饱和后才开始进行(图6)，由测量样品所取得的红外线图可参考图7与图8。

 
图8　搭配散热片COB包装的测量样品与红外线图

　　为确保红外线测量结果的正确性，使用热电偶来加以验证，由热电偶所测量的结果相当符合(表3)。

　　表3　模拟与实验结果的比较
 
　　

　　透过CFD软件做温度仿真

　　使用CFD软件Flotherm作为温度仿真，Flotherm采用有限值法解决方案，并以方程式来描述物质转换、瞬间以及三度空间的流动能量。

　　基本条件假设

　　在进行CFD分析时，假设有三维空间、稳定状态、气流速度为0.2m/s、空气特性稳定、环境温度为25℃、运算范围为400毫米×400毫米×150毫米以及热透过正常对流以及传导与辐射方式散热的情况。

　　COB封装以及搭配散热片COB封装模型的整体闸格单元数分别接近四十万与一百六十万，在闸格设置建议于散热片的鳍片之间，至少使用三个单元。

　　LED模块模型建立

　　芯片、铝质反射器、硅树脂封装、散热片以及芯片黏着层都以单一立体方块来架构模型，使用立体方块的重点是其永远包含一或多个有限数量的闸单元，此代表每一方块所代表的物质温度均以每一独立闸单元计算。

　　在芯片黏着层上总共有五十个芯片，每个红色芯片以0.5毫米宽×0.5毫米长×0.225毫米高的方块来代表，每个绿色与蓝色芯片则以0.376毫米宽×0.376毫米长×0.25毫米高代表，并在红色芯片的顶部以及绿色与蓝色芯片的底部表面加入五十个不同功率的发热源，其中蓝色与绿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着层，因此要完成模拟需要较长的计算时间，而这样详细的温度模型在模块出现于大系统模型下通常不太实际，因此将详细模型简化成搭配散热片COB封装的精简模型，将可以有效缩短计算时间。

　　对精简模型来说，芯片黏着层的五十个芯片以单一正方形方块取代，表4显示没有使用在精简模型中的温度特性，芯片的新等效温度特性则由详细模型的结果取得。

　　此外，介电层、铜箔走线、基体上的焊接材料以及导热胶带都加以记录考虑，这些材料的热传导能力由表3中所列出的文件中取得，在具备经阳极化处理铝材料散热片中并考虑了辐射效应。

　　热阻的计算

　　热流会垂直通过芯片、芯片黏着层，介电层接着直通到基体，每个独立芯片就形成并联的热阻，由芯片到基体的整体热阻值Rjb-T可透过以下方程序取得：

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

　　其中X、Y、Z分别为红、绿与蓝光LED的芯片数，Rjb-R、Rjb-G与Rjb-B的热阻可以使用以下方程式进行计算：
　　Rjb=TJunction–TBoard/Power　　　　(2)

　　图1中包含二十个红色芯片、二十个绿色芯片与十个蓝色芯片的COB封装热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)

　　其中模拟结果Rjb(R)=100oC/W，Rjb(G)= Rjb(R)则为80oC/W，以这样的结果为基础，整体热阻计算值为1.74oC/W，接近2oC/W。

　　CFD模拟的结果与比较

　　图4显示在相同电路板温度下仿真与实验结果的比较，它包含有顶部发光型COB封装，侧面发光型COB封装以及搭配散热片的侧面发光型COB封装，其中前两个封装以详细模型进行，而最后一个则使用精简模型技术，原因是封装上额外搭配的散热片须要考虑更多的闸单元，因此会拉长计算时间，此外，在文中也想要证明精简模型的结果事实上并不会与详细模型有太大的差异。

　　图1的顶部与侧面发光型COB封装使用相同的MCPCB设计，但采用不同的铝反射器设计，不过侧面发光型COB封装由于拥有较大的反射区可协助散热，因此预料侧面发光型COB封装的电路板温度仿真结果将低于顶部发光型COB封装，此推论也经由实际测量数据与仿真结果取得验证。

图9与图10分别提供侧面发光型COB封装以及搭配散热片COB封装的可视化模拟结果。

 
图9　侧面发光型COB包装的可视化结果

 
图10　搭配散热片侧面发光型COB包装的可视化结果

　　由图4可以得知，详细与精简模型的仿真结果事实上都接近于实际测量结果，此清楚的显示出，模块封装的精简模型可适用于系统级设计，有助于缩短设计时间。

　　COB封装符合LED照明应用期待

　　COB封装技术带来每单位区域LED光源封装设计上更加精简或照明度更高的输出，低热阻以及正确的封装材料选择带来令人惊艳的光输出以及更长的寿命，此外，即插即用的功能也让COB封装的组装程序能够和CCFL类似。

　　精简或简化的模型仿真结果与实际测量结果相当接近，此证明可透过节省CFD模拟时间与耗用资源带来更快的设计周期，照明设备制造商可在设计中使用简化的CFD仿真模型来决定适合的温度管理系统。

　　COB LED封装不仅拥有比传统离散式LED组件封装更佳的效能，还能够简化温度管理来简化系统级的设计，可以说是帮助LED符合照明市场需求的理想解决方案。