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

　　表3　模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

　　

　　透過CFD軟件做溫度仿真

　　使用CFD軟件Flotherm作為溫度仿真，F(xiàn)lotherm采用有限值法解決方案，并以方程式來描述物質(zhì)轉(zhuǎn)換、瞬間以及三度空間的流動(dòng)能量。

　　基本條件假設(shè)

　　在進(jìn)行CFD分析時(shí)，假設(shè)有三維空間、穩(wěn)定狀態(tài)、氣流速度為0.2m/s、空氣特性穩(wěn)定、環(huán)境溫度為25℃、運(yùn)算范圍為400毫米×400毫米×150毫米以及熱透過正常對流以及傳導(dǎo)與輻射方式散熱的情況。

　　COB封裝以及搭配散熱片COB封裝模型的整體閘格單元數(shù)分別接近四十萬與一百六十萬，在閘格設(shè)置建議于散熱片的鰭片之間，至少使用三個(gè)單元。

　　LED模塊模型建立

　　芯片、鋁質(zhì)反射器、硅樹脂封裝、散熱片以及芯片黏著層都以單一立體方塊來架構(gòu)模型，使用立體方塊的重點(diǎn)是其永遠(yuǎn)包含一或多個(gè)有限數(shù)量的閘單元，此代表每一方塊所代表的物質(zhì)溫度均以每一獨(dú)立閘單元計(jì)算。

　　在芯片黏著層上總共有五十個(gè)芯片，每個(gè)紅色芯片以0.5毫米寬×0.5毫米長×0.225毫米高的方塊來代表，每個(gè)綠色與藍(lán)色芯片則以0.376毫米寬×0.376毫米長×0.25毫米高代表，并在紅色芯片的頂部以及綠色與藍(lán)色芯片的底部表面加入五十個(gè)不同功率的發(fā)熱源，其中藍(lán)色與綠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著層，因此要完成模擬需要較長的計(jì)算時(shí)間，而這樣詳細(xì)的溫度模型在模塊出現(xiàn)于大系統(tǒng)模型下通常不太實(shí)際，因此將詳細(xì)模型簡化成搭配散熱片COB封裝的精簡模型，將可以有效縮短計(jì)算時(shí)間。

　　對精簡模型來說，芯片黏著層的五十個(gè)芯片以單一正方形方塊取代，表4顯示沒有使用在精簡模型中的溫度特性，芯片的新等效溫度特性則由詳細(xì)模型的結(jié)果取得。

　　此外，介電層、銅箔走線、基體上的焊接材料以及導(dǎo)熱膠帶都加以記錄考慮，這些材料的熱傳導(dǎo)能力由表3中所列出的文件中取得，在具備經(jīng)陽極化處理鋁材料散熱片中并考慮了輻射效應(yīng)。

　　熱阻的計(jì)算

　　熱流會(huì)垂直通過芯片、芯片黏著層，介電層接著直通到基體，每個(gè)獨(dú)立芯片就形成并聯(lián)的熱阻，由芯片到基體的整體熱阻值Rjb-T可透過以下方程序取得：

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

　　其中X、Y、Z分別為紅、綠與藍(lán)光LED的芯片數(shù)，Rjb-R、Rjb-G與Rjb-B的熱阻可以使用以下方程式進(jìn)行計(jì)算：
　　Rjb=TJunction–TBoard/Power　　　　(2)

　　圖1中包含二十個(gè)紅色芯片、二十個(gè)綠色芯片與十個(gè)藍(lán)色芯片的COB封裝熱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)

　　其中模擬結(jié)果Rjb(R)=100oC/W，Rjb(G)= Rjb(R)則為80oC/W，以這樣的結(jié)果為基礎(chǔ)，整體熱阻計(jì)算值為1.74oC/W，接近2oC/W。

　　CFD模擬的結(jié)果與比較

　　圖4顯示在相同電路板溫度下仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，它包含有頂部發(fā)光型COB封裝，側(cè)面發(fā)光型COB封裝以及搭配散熱片的側(cè)面發(fā)光型COB封裝，其中前兩個(gè)封裝以詳細(xì)模型進(jìn)行，而最后一個(gè)則使用精簡模型技術(shù)，原因是封裝上額外搭配的散熱片須要考慮更多的閘單元，因此會(huì)拉長計(jì)算時(shí)間，此外，在文中也想要證明精簡模型的結(jié)果事實(shí)上并不會(huì)與詳細(xì)模型有太大的差異。

　　圖1的頂部與側(cè)面發(fā)光型COB封裝使用相同的MCPCB設(shè)計(jì)，但采用不同的鋁反射器設(shè)計(jì)，不過側(cè)面發(fā)光型COB封裝由于擁有較大的反射區(qū)可協(xié)助散熱，因此預(yù)料側(cè)面發(fā)光型COB封裝的電路板溫度仿真結(jié)果將低于頂部發(fā)光型COB封裝，此推論也經(jīng)由實(shí)際測量數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果取得驗(yàn)證。

圖9與圖10分別提供側(cè)面發(fā)光型COB封裝以及搭配散熱片COB封裝的可視化模擬結(jié)果。

圖9　側(cè)面發(fā)光型COB包裝的可視化結(jié)果

圖10　搭配散熱片側(cè)面發(fā)光型COB包裝的可視化結(jié)果

　　由圖4可以得知，詳細(xì)與精簡模型的仿真結(jié)果事實(shí)上都接近于實(shí)際測量結(jié)果，此清楚的顯示出，模塊封裝的精簡模型可適用于系統(tǒng)級設(shè)計(jì)，有助于縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

　　COB封裝符合LED照明應(yīng)用期待

　　COB封裝技術(shù)帶來每單位區(qū)域LED光源封裝設(shè)計(jì)上更加精簡或照明度更高的輸出，低熱阻以及正確的封裝材料選擇帶來令人驚艷的光輸出以及更長的壽命，此外，即插即用的功能也讓COB封裝的組裝程序能夠和CCFL類似。

　　精簡或簡化的模型仿真結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果相當(dāng)接近，此證明可透過節(jié)省CFD模擬時(shí)間與耗用資源帶來更快的設(shè)計(jì)周期，照明設(shè)備制造商可在設(shè)計(jì)中使用簡化的CFD仿真模型來決定適合的溫度管理系統(tǒng)。

　　COB LED封裝不僅擁有比傳統(tǒng)離散式LED組件封裝更佳的效能，還能夠簡化溫度管理來簡化系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)，可以說是幫助LED符合照明市場需求的理想解決方案。