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(wú)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(kāi)發(fā)出采用COB(Chip On Board)方式的LED封裝來(lái)滿足LED在照明市場(chǎng)應(yīng)用上的需求。COB封裝使用金屬核心印刷電路板(MCPCB)來(lái)達(dá)到最低的熱阻，能夠在70℃散熱片溫度下，以24瓦運(yùn)作達(dá)7,000小時(shí)，而不會(huì)有任何效能劣化的情況，此結(jié)果亦已經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量結(jié)果的驗(yàn)證。

　　本文中將對(duì)COB封裝本身以及所搭配散熱片的COB封裝之計(jì)算流體動(dòng)力分析(Computational Fluid Dynamic, CFD)模型建立技術(shù)進(jìn)行討論，同時(shí)采用簡(jiǎn)化或精簡(jiǎn)的CFD仿真模型來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)的溫度管理設(shè)計(jì)，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(jì)彈性等特性，因此可成為L(zhǎng)ED封裝設(shè)計(jì)工程師另一具有吸引力的替代選擇。

　　COB封裝可實(shí)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(zhǎng)效壽命等特點(diǎn)，因此目前正逐漸進(jìn)入照明市場(chǎng)，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(wèn)題，此外，該市場(chǎng)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(lái)強(qiáng)化散熱能力，傳統(tǒng)的做法在需要高亮度輸出密度時(shí)會(huì)面臨極限，原因是各個(gè)LED基體所需的空間、相對(duì)較大的焊接點(diǎn)以及LED基體的設(shè)計(jì)方式，經(jīng)常會(huì)對(duì)多芯片電路設(shè)計(jì)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(kāi)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(lái)解決這些問(wèn)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(chǎng)，除了熱阻夠低能改善可靠度表現(xiàn)外，同時(shí)還要簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，另外，解決方案的成本也須能與其他光源競(jìng)爭(zhēng)。

　　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(lái)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(lái)提供可焊接的表面，隔離層則要能避免短路同時(shí)又不會(huì)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(shí)提供良好的黏合情況，厚隔離層可以吸收線路黏合過(guò)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?yàn)榫哂羞@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(zhǎng)，此外，LED在溫度較低時(shí)，每單位功率輸入的光輸出也較高。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)×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(jiǎn)，但對(duì)于24瓦的設(shè)備來(lái)說(shuō)，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(yùn)作。

　　可靠度的強(qiáng)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(lái)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(lái)保護(hù)芯片并形成光輸出的折射用透鏡。但塑料長(zhǎng)時(shí)間暴露在紫外光與高溫下會(huì)逐漸劣化，黃化效應(yīng)則會(huì)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(shí)間而下降，這樣的劣化問(wèn)題對(duì)LED背光必須穿透大面積照明時(shí)形成挑戰(zhàn)，通常照明市場(chǎng)要求最低至少50,000小時(shí)的工作壽命，才能被視為長(zhǎng)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(shù)脂封裝來(lái)消除劣化的問(wèn)題(圖3)，實(shí)際的可靠度測(cè)量結(jié)果顯示，在高溫情況下工作7,000小時(shí)后并沒(méi)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(yùn)作下的劣化趨勢(shì)曲線圖。

圖3　采用硅樹(shù)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(yùn)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(lái)安裝，也毋需復(fù)雜的溫度管理系統(tǒng)，市場(chǎng)并供應(yīng)有各種不同的CCFL燈管長(zhǎng)度來(lái)滿足不同空間限制的需求。

　　CCFL的亮度可透過(guò)照明系統(tǒng)更多的燈管來(lái)提升，簡(jiǎn)單的說(shuō)，整個(gè)組裝過(guò)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(guò)程變得平順簡(jiǎn)單。

　　COB封裝LED模塊采用長(zhǎng)條狀方式設(shè)計(jì)，因此能夠依據(jù)照明設(shè)備的尺寸與亮度要求，透過(guò)簡(jiǎn)單的水平或垂直方向堆棧來(lái)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(shí)通常會(huì)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(lái)裝飾與美化建筑物，而COB封裝的設(shè)計(jì)就帶來(lái)簡(jiǎn)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(shí)依照客戶需求的不同來(lái)選用不同的LED芯片組態(tài)，在白光LED模塊外，同時(shí)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(guò)客制化的反射器設(shè)計(jì)來(lái)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(lái)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(jì)也須簡(jiǎn)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(cè)

　　就COB封裝以及搭配散熱片的COB封裝進(jìn)行紅外線測(cè)量，測(cè)量樣品與測(cè)量點(diǎn)分別顯示在圖6與圖7，樣品上用來(lái)測(cè)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(duì)紅外線測(cè)量安排的細(xì)節(jié)多做介紹。

圖6　電路板溫度與點(diǎn)亮?xí)r間長(zhǎng)度的相對(duì)關(guān)系

圖7　COB包裝的測(cè)量樣品與紅外線圖

　　受測(cè)COB封裝以5.5瓦推動(dòng)，搭配散熱片的COB封裝則以18瓦推動(dòng)，所有測(cè)量結(jié)果都在電路板達(dá)到溫度飽和后才開(kāi)始進(jìn)行(圖6)，由測(cè)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(cè)量樣品與紅外線圖

　　為確保紅外線測(cè)量結(jié)果的正確性，使用熱電