突破散熱與光學(xué)瓶頸　COB封裝打造優(yōu)質(zhì)LED照明 (

　　目前LED照明發(fā)展已經(jīng)進(jìn)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(xué)效率方面獲得改善，那全面普及仍是可望而不可及，因此業(yè)界開發(fā)出采用COB(Chip On Board)方式的LED封裝來滿足LED在照明市場應(yīng)用上的需求。COB封裝使用金屬核心印刷電路板(MCPCB)來達(dá)到最低的熱阻，能夠在70℃散熱片溫度下，以24瓦運作達(dá)7,000小時，而不會有任何效能劣化的情況，此結(jié)果亦已經(jīng)過實際測量結(jié)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(shù)進(jìn)行討論，同時采用簡化或精簡的CFD仿真模型來簡化系統(tǒng)的溫度管理設(shè)計，此封裝顯示出COB技術(shù)由于具備高成本效益以及高設(shè)計彈性等特性，因此可成為LED封裝設(shè)計工程師另一具有吸引力的替代選擇。

　　COB封裝可實現(xiàn)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(jìn)入照明市場，采用LED所面臨的挑戰(zhàn)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(tǒng)的方法是將LED芯片安裝在基體上以構(gòu)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(jìn)行二次組裝，在高功率應(yīng)用則采用金屬核心PCB來強化散熱能力，傳統(tǒng)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(shè)計方式，經(jīng)常會對多芯片電路設(shè)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(yè)界開發(fā)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(xiàn)有離散式LED組件更好的效能以進(jìn)軍照明市場，除了熱阻夠低能改善可靠度表現(xiàn)外，同時還要簡化系統(tǒng)的設(shè)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(gòu)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(dāng)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(yōu)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(xiàn)

　　在COB封裝中，由于散熱路徑較短，LED芯片由工作中產(chǎn)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(tǒng)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(xiàn)扮演相當(dāng)關(guān)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(tǒng)成本，得到比傳統(tǒng)離散式組件封裝更好的效能表現(xiàn)。
　　圖1的COB封裝尺寸為100毫米長×18毫米寬，頂部發(fā)光型模塊的厚度為3.6毫米，雖然這樣的尺寸相當(dāng)精簡，但對于24瓦的設(shè)備來說，熱阻也只有2℃/W，此代表若最高可允許接面溫度設(shè)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(dāng)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(cè)面所發(fā)出的光反射到所需的方向，而塑料封裝也被用來保護(hù)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(yīng)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(zhàn)，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(hù)的設(shè)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(jié)果顯示，在高溫情況下工作7,000小時后并沒有發(fā)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(jié)構(gòu)

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(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜的溫度管理系統(tǒng)，市場并供應(yīng)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(tǒng)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(dāng)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(shè)備制造商由CCFL轉(zhuǎn)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(shè)計，因此能夠依據(jù)照明設(shè)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(biāo)準(zhǔn)底座以進(jìn)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(dāng)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(shè)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(tài)，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(lán)光LED模塊，此外，也透過客制化的反射器設(shè)計來改變光輸出的發(fā)射模式，圖5為具有類似基體的24瓦紅、綠與藍(lán)色頂部發(fā)光與側(cè)面發(fā)光型式的LED模塊。

圖5　COB包裝紅、綠與藍(lán)光LED模塊

　　COB模塊的安裝可以使用M3螺絲來達(dá)成，因此可免除使用在傳統(tǒng)離散式LED產(chǎn)品組裝程序中的復(fù)雜回焊程序，溫度管理系統(tǒng)的設(shè)計也須簡化，以便吸引照明設(shè)備制造商由CCFL轉(zhuǎn)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(jìn)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(qū)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(xì)節(jié)多做介紹。

圖6　電路板溫度與點亮?xí)r間長度的相對關(guān)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(jié)果都在電路板達(dá)到溫度飽和后才開始進(jìn)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(jié)果的正確性，使用熱電