大功率LED低热阻封装技术进展

散热是大功率LED封装的关键技术之一,散热不良将严重影响LED器件的出光效率、亮度和可靠性。影响LED器件散热的因素很多,包括芯片结构、封装材料(热界面材料和散热基板)、封装结构与工艺等。文章具体分析了影响大功率LED热阻的各个因素,指出LED散热是一个系统概念,需要综合考虑各个环节的热阻,单纯降低某一热阻无法有效解决LED的散热难题。文中还对国内外降低LED热阻的最新技术进行了介绍。     

全铜通孔柔性LED封装热学性能仿真分析

柔性基板封装(COF)是一种新型LED封装形式。本研究在柔性基板中的高分子绝缘层(PI)中添加全铜通孔,通过有限元仿真分析全铜通孔对LED封装热学性能的影响。研究结果表明：在柔性LED封装中,PI层热阻最大,是导致芯片结温高的主要因素。PI层中全铜通孔的添加使PI层热阻大幅降低,显著提升LED封装的垂直散热能力。基于仿真计算结果,建立了PI层中添加全铜通孔数量与LED封装热阻间的对应关系。针对本研究中的封装结构,采用8*8 的全铜通孔阵列对LED封装的热学性能提升效果显著。     

基于接触位置的扩散热阻研究

本文利用热瞬态分析仪T3ster测试了大功率LED封装阵列中不同阵列点热阻的变化,得到结论：在散热基板中心点处热阻最小,距中心点越远热阻越大,并且热阻与距离呈线性关系。通过分析得到热阻增加的部分为扩散热阻,所以扩散热阻应作为大功率LED封装阵列设计的考虑因素之一。     

功率型LED模组基板横/纵向散热性能研究

为了研究LED模组的散热性能,对其基板的横向和纵向散热性能进行了对比研究。首先建立加快基板横向和纵向散热性能的有限元模型,即在基板上覆盖高导热层和基板内添加高热导率热沉结构。并运用有限元(FEM)分析方法对两种基板的散热效果以及基板和LED芯片温度分布的均匀性进行了对比分析。最后,对于基板上覆盖高导热层的结构,结合实际工艺和散热性能的考虑,进一步优化了高导热层的厚度。     

基于COB技术的LED散热性能分析

当前,散热问题已成为影响LED寿命、光效、光衰和色温等技术参数的重要因素。文章在综合分析散热技术和LED封装对散热性能影响的基础上,利用COB(板上芯片)封装技术,将LED芯片直接封装在铝基板上,研制成了一种基于COB封装技术的LED。与SMD封装LED进行比较,分析了其散热性能。分析结果表明:基于COB封装技术的LED减少了LED器件的结构热阻和接触热阻,使其具有良好的散热性能。     

多芯片组件（MCM）的热模拟研究

介绍了MCM的封装热阻及相应的几种热阻计算方法。利用有限元分析软件ANSYS对多芯片组件(MCM)进行了热模拟。在常用两种MCM结构的热流模型基础上，分析并比较了这两种热模型差异及对散热的影响。根据ANSYS模拟结果，讨论了空气流速、基板热导率及其厚度、芯片粘结层热导率及其厚度对MCM封装热特性的影响，分析了控制MCM封装内、外散热的主要因素。     

浅析LED灯具的散热设计

LED灯具的设计较传统灯具复杂,包含光学、机械、电子及散热等,其中散热尤其重要。因为目前大功率LED灯具的转换率仅有20%会转换成光,其余80%会转换为热,如果不能将热量导出灯具之外,将无法达到LED光源宣称的50,000小时寿命,同时热量会影响LED的发光效率,导致严重光衰及灯具毁损的惨况。本文从LED芯片、LED芯片基板、芯片封装、线路设计、系统电路板、散热鳍片到灯具外壳等环节对散热设计进行了详细分析,并指出了存在的问题。呼吁LED灯具设计人员必须高度重视LED灯具的散热设计,科学合理地做好LED灯具的散热设计。     

基于石墨嵌入式结构的SiC功率模块热仿真与优化

SiC器件相比于Si器件,具有更高的功率密度,表现出高的器件结温和热阻。为了提高SiC功率模块的散热能力,提出了一种基于石墨嵌入式叠层DBC的SiC功率模块封装结构,并建立封装体模型。通过ANSYS有限元软件,对石墨层厚度、铜层厚度和导热铜柱直径进行分析,研究各因素对散热性能的影响,并对封装结构进行优化以获得更好的热性能。仿真结果表明,石墨嵌入式封装结构结温为61.675℃,与传统单层DBC封装相比,结温降低19.32%,热阻降低27.05%。各影响因素中石墨层厚度对封装结温和热阻影响最大,其次是铜柱直径和铜层厚度。进一步优化后,结温降低了2.1%,热阻降低了3.4%。此封装结构实现了优异的散热性能,为高导热石墨在功率模块热管理中的应用提供参考。     

新型封装材料与大功率LED封装热管理

高效散热封装材料的合理选择和有效使用是提高大功率LED(发光二极管)封装可靠性的重要环节。在分析封装系统热阻对LED性能的影响及对传统散热封装材料性能进行比较的基础上,阐述了金属芯印刷电路板材料、金属基绝缘板材料、陶瓷基板材料、导热界面材料和金属基复合材料结构特点、导热性能及其封装应用实例。指出了封装材料的研究重点和亟待解决的问题。     

基于共晶焊接工艺和板上封装技术的大功率LED热特性分析

采用ANSYS有限元热分析软件,模拟了基于共晶焊接工艺和板上封装技术的大功率LED器件,并对比分析了COB封装器件与传统分立器件、共晶焊工艺与固晶胶粘接工艺的散热性能。结果表明:采用COB封装结构和共晶焊接工艺能获得更低热阻的LED灯具;芯片温度随芯片间距的减小而增大;固晶层厚度增大,芯片温度增大,而最大热应力减小。同时采用COB封装方式和共晶焊接工艺,并优化芯片间距和固晶层厚度,能有效改善大功率LED的热特性。     

大尺寸LED背光源散热结构的仿真、设计与测试

过高的工作温度会直接降低LED使用寿命,并且会影响其发光强度以及发光效率,导致大尺寸LED背光源光学性能大幅下降。从侧边式LED背光源模组的角度出发,设计并采用IcePak软件仿真散热铝挤的宽度和厚度对背光模组温度的影响,最终给出了适用于大尺寸LED背光模组的散热结构。结果表明,随着铝挤的长度或厚度的增加,LED Bar的温度都会减少,取铝挤长度为200 mm,厚度为2 mm,此时LED Bar的温度为69.4℃,小于70℃,符合设计要求且成本最低。进一步测量对应样机的LED Bar温度,其最高温度为69.7℃,与仿真实验结果非常接近。该结构制造工艺较为简单、成本低廉,并且符合背光模组轻薄化的要求,具有一定的市场价值。     

Development of a thermal resistance model for chip-on-board packaging of high power LED arrays

The performance of high power LEDs strongly depends on the junction temperature. Operating at high junction temperature causes degradation of light intensity and lifetime. Therefore, proper thermal management is critical for LED packaging. While the design of the heat sink is a major contributor to lowering the overall thermal resistance of the packaged luminaire, another area of concern arises from the need to address the large heat fluxes that exist beneath the die. In this study we conduct a thermal analysis of high power LED packages implementing chip-on-board (COB) architecture combined with power electronic substrate focusing on heat spreading effect. An analytical thermal resistance model is presented for the LED array and validated by comparing it with finite element analysis (FEA) results. By using the analytical expression of thermal resistance, it is possible to understand the impact of design parameters (e.g., material properties, LED spacing, substrate thickness, etc.) on the package thermal resistance, bypassing the need for detailed computational simulations using FEA.     

高亮度高纯度白光LED封装技术研究

通过对高功率InGaN(蓝)LED倒装芯片结构+YAG荧光粉构成白光LED的分析,可以得出这种结构能提高发光效率和散热效果的结论。通过对白光LED的构成和电流/温度/光通量的分析,可知在蓝宝石衬底和环氧树脂的界面间涂敷一层硅橡胶能改善光的折射率。改进光学器件的封装技术,可以大幅度提高大功率LED的出光率(光通量)。     

功率LED柔性封装结构的设计与热特性分析

根据功率LED的柔性封装要求,提出了基于贴片式(SMD)封装的功率型LED柔性封装结构。对各层结构进行了优化设计,采用有限元分析(FEA),模拟了柔性封装结构LED的热场分布。对比研究了柔性LED与传统封装结构LED的热特性,并对弯曲状态下柔性衬底材料对芯片的应力进行了分析。结果表明,采用金属Cu箔衬底的柔性封装结构,其散热特性较好;Cu/超薄玻璃复合衬底替代Cu箔衬底,可以减少弯曲的应力,减少幅度达到2.5倍,散热特性基本相同。SMD柔性封装的LED不仅具有较好的热稳定性,且具有柔性可挠曲特性,其应用潜力很大。     

大功率集成LED光转换光源的研制

介绍了一种应用远程激发技术的大功率集成LED光转换光源,通过使用固晶区无绝缘层的镜面铝基板进行集成封装蓝光LED光源,即COB光源。所制蓝光光源与远程激发荧光粉模块结合制成LED光转换光源。利用镜面铝基板的高导热系数,解决多种LED封装形式下芯片点亮温度过高、光源衰减快的问题。采用LED荧光高分子模块与蓝光芯片分离结合的远程激发技术制成白光光源,解决荧光粉分布不均、热老化、色偏移问题。通过与传统粉胶封装方式制得的大功率集成LED器件比较测试,该种光源具有防眩光、光色均匀度高、长寿命、节能和环保的优点,从而具有更广泛的用途。     

提高小功率白光LED热特性的新方法

在传统直插式LED封装方法的基础上,提出了一种在环氧树脂中添加氮化硼(BN)填料的改进LED封装工艺。测量了BN填料质量分数与导热系数的关系,利用有限元分析软件ANSYS分析和实验测试了采用改进封装工艺φ5 mm白光LED的芯片结温、热阻等参数,并与传统封装方法的白光LED进行比较。结果表明:采用改进封装结构φ5 mm白光LED结温比传统封装方法下降4.5℃,热阻下降了17.8%,同时提高了初始光通量,降低了光衰。     

LED环氧灌封工艺对其可靠性的影响

根据实际工作中分析发光二极管(LED)产品失效问题所获得的经验,探讨环氧树脂灌封工艺对LED可靠性的影响。采用理论结合试验验证的方法,从环氧树脂材料性能、固化工艺条件和改善树脂材料性能等方面,总结出环氧树脂灌封工艺影响LED可靠性的具体因素。环氧树脂材料的性能参数如玻璃化转变温度、热膨胀系数和弹性模量等会影响LED耐焊接热和光衰的能力;降低固化工艺条件会减少LED内应力,防止芯片隐裂;在环氧树脂中添加偶联剂可以提高LED产品气密性,防止水汽渗透,提高LED可靠性。最后建议应当根据不同LED的可靠性要求,选择合适的环氧树脂和固化工艺条件。     

倒装芯片衬底粘接材料对大功率LED热特性的影响

针对倒装芯片(Flipchip)大功率发光二极管器件,描述了大功率LED器件的热阻特性,建立了Flipchip衬底粘接材料的厚度和热导系数与粘接材料热阻的关系曲线,以三类典型粘接材料为例计算了不同厚度下的热阻,得出了Flipchip衬底粘接材料选择的不同对大功率LED的热阻存在较大影响的结论.     

Thermal characterization of multicolor LED luminaire

The LED based dynamic lighting scheme, require compact and thermally efficient luminaire. This paper presents the thermal investigation on the conceptual design of 36 W multicolor light emitting diode (LED) luminaire. The developed prototype design includes configuration and placement of the multichip LED package, RGBW and single die amber LEDs in a 5 × 3 array on the heat sink. LED configurations with low power input are placed between the LEDs having the high power input. The proposed configuration and placement of LEDs reduces the local heat concentration in the centre region of the heat sink. The temperature of 72 °C at LED chip base plate is reduced to 32.1 °C on the heat sink surface. The numerical results are experimentally validated. The proposed method contributes to a reduction in the size of the luminaire and also enhancement of heat dissipation for improving the longevity of the multicolor based LED luminaire.