多芯片LED器件熱學特性分析

陳煥庭， 陳福昌， 何 洋， 林 碩， 熊傳兵， 周錦榮, 陳賜海

(閩南師范大學 物理與信息工程學院， 福建 漳州 363000)

1 引 言

多芯片LED器件是將多個LED芯片集成在散熱基板上，并實現(xiàn)整體封裝的一種技術(shù)。與單芯片LED器件封裝相比，多芯片LED器件可提高單位體積內(nèi)光源的集成度，有利于LED光源體積降低[1-2]。隨著多芯片LED器件集成度的提高和體積的縮小，尤其是對于集成大功率芯片的LED器件，其內(nèi)部具有多個熱源，熱源之間的熱耦合效應(yīng)明顯，單位體積內(nèi)的功耗較大，隨著LED器件結(jié)溫升高，將影響到LED光源的光學特性以及電學特性，可靠性降低[3-4]。因此，分析多芯片LED器件內(nèi)部熱學模型，準確計算其結(jié)溫已經(jīng)成為目前多芯片LED器件應(yīng)用中不可忽略的一個重要環(huán)節(jié)[5-7]。

傳統(tǒng)熱設(shè)計方法需要通過對樣品進行大量的實驗分析比對，最終提出合理的散熱結(jié)構(gòu)方案，因此存在很大的局限性。目前普遍采用計算機仿真軟件對LED的不同散熱結(jié)構(gòu)進行熱模擬分析，通過對多種優(yōu)化結(jié)構(gòu)的計算分析，確定最合理的改進方案，并最終將熱仿真結(jié)果與實際測試進行對比論證，從而驗證設(shè)計方案的可行性。

多熱阻模型的優(yōu)點是熱分析行業(yè)內(nèi)普遍認可的，它可以簡化封裝模型，在熱模擬過程中節(jié)省網(wǎng)格，大大降低仿真時間，精度高于單熱阻以及雙熱阻模型，目前國外電子廠商和軟件公司對多熱阻模型的研究投入力度很大，國內(nèi)尚處于起步階段，基于歐洲基金項目而建立的DELPHI熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，已被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備熱設(shè)計中[8]，該模型是目前世界最流行的熱阻提取方法。

本文通過建立多芯片LED熱學模型，闡明器件內(nèi)部熱阻支路的變化情況，對研究器件內(nèi)部各層材料的溫度響應(yīng)特性具有參考價值，另一方面該模型有助于更全面分析多芯片LED熱阻內(nèi)部芯片之間的熱耦合效應(yīng)?；谟邢摅w積數(shù)值方法計算分析多芯片LED器件在不同負載電功率情況下的結(jié)溫，與測試值進行比較，進而驗證所提出的熱學模型和計算方法的有效性。

2 有限體積法理論

有限體積法可認為是有限差分法的積分形式，有限差分法對微分方程進行離散，而有限體積法直接對積分方程進行離散[9]。

如果求解域中有n個網(wǎng)格，則需要建立n組方程求解其對應(yīng)的溫度T，各個方向速度μ、ν、w，如有5 000個網(wǎng)格，則需要求解25 000個方程，采用渦流分析模型，則需要求解更多的方程。網(wǎng)格分布將直接影響到求解精度，一般而言，可先粗化網(wǎng)格再對關(guān)鍵區(qū)域進行網(wǎng)格細化，網(wǎng)格數(shù)量越多，求解精度越高，計算時間越長。在計算過程中選取每個單元網(wǎng)格作為一個有限監(jiān)控體。在每個監(jiān)控體內(nèi)，針對目標變量，建立質(zhì)量、動量、熱能的積分控制方程

∮ρφVdS=∮Γφ

(1)

式中ρ為監(jiān)控體密度，V為速度，S為監(jiān)控體表面區(qū)域，Γφ為φ的擴散系數(shù)，Sφ為監(jiān)控體內(nèi)部的φ源，Ω為監(jiān)控體體積。

將積分控制方程在空間上進行離散化

(2)

式中Nf為監(jiān)控體表面?zhèn)€數(shù)，f為在表面位置變量值。

若需要進行瞬態(tài)分析，須對包含時間變量的方程進行離散化。一般而言，控制方程具有非線性和耦合性，因此通過迭代獲得求解結(jié)果。

求解過程中，先將網(wǎng)格粗化，進行粗略計算，再將計算結(jié)果回代入原網(wǎng)格中，作為原網(wǎng)格的初始值，從而加速求解速度，減少迭代次數(shù)，減少計算時間。重點對關(guān)鍵求解區(qū)域網(wǎng)格加密細化，進行數(shù)值回插，獲得目標變量的求解結(jié)果。

3 多芯片LED熱學模型

多芯片LED熱學模型如圖1所示，其中R1為多芯片LED器件中各個芯片結(jié)到內(nèi)部熱沉的熱阻，R2與R3為多芯片LED器件中相鄰芯片之間的耦合熱阻，R2與R3大小與芯片之間的相對距離相關(guān)。該多芯片器件中單顆LED芯片的熱功率表示為

(3)

式中Tj為結(jié)溫，Ph為LED芯片熱功率,Ri為第ith結(jié)點的熱阻,當熱阻支路與沿著X軸或Y軸方向相鄰結(jié)點連接時，則Ti為相鄰結(jié)點溫度。當熱阻支路與沿著Z軸方向相鄰結(jié)點連接時，則Ti為該結(jié)點內(nèi)部銅層溫度。

熱阻支路與沿著Z軸方向上多芯片LED器件結(jié)點到內(nèi)部銅層之間的總熱阻RJS可以用并聯(lián)阻抗的公式表示

(4)

假設(shè)每個LED芯片結(jié)點到內(nèi)部銅層之間形成的熱阻相等，則有：

(5)

LED結(jié)點到環(huán)境之間形成的總熱阻可表示為：

(6)

由上式而知，單芯片結(jié)至內(nèi)部熱沉熱阻RJS為N芯片的N倍，而內(nèi)部銅層至環(huán)境熱阻RSA與N芯片相同。

圖1 多芯片LED的熱學模型

4 實 驗

采用T3Ster&Teraled光電熱測試系統(tǒng)測試多芯片LED器件的光學及熱學特性。T3Ster 是用于測試IC、LED、散熱器、熱管等電子器件熱特性的熱測試儀。運用JEDEC靜態(tài)試驗方法(JESD51-1)，通過改變電子器件的輸入功率，使得器件產(chǎn)生溫度變化，在變化過程中，T3Ster測試出芯片的瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線，基于升溫或降溫曲線可分析得到待測器件全面的熱特性，利用R-C熱阻網(wǎng)絡(luò)和結(jié)構(gòu)函數(shù)理論，定量提取出待測器件內(nèi)部的熱流路徑，從而獲得積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)[10-12]。本文研究的多芯片LED器件為CREE-MCE(型號：MCE4WT-A2-0000-000K01)，為同一個基板上集成4顆芯片白光LED，這4顆芯片單獨引出電極焊盤，即可獨立控制每顆LED芯片的驅(qū)動電流。該封裝配光結(jié)構(gòu)為朗伯光型分布，發(fā)光角度為110°。多芯片LED器件加載測試電流1 mA,熱沉溫度控制范圍25～55 ℃，每間隔10 ℃采集待測器件的正向電壓，依據(jù)電壓隨溫度變化關(guān)系，計算電壓-溫度系數(shù)K。將待測樣品加載電流350 mA，利用Teraled系統(tǒng)測試器件輸出的光功率，并將待測器件電功率扣除所測試的光功率，獲得其熱功率。

本文對LED芯片結(jié)構(gòu)簡化處理，芯片由P型、N型GaN、多量子阱InGaN、電流擴展層和電極組成。作為優(yōu)化電流密度分布的電極，因為對器件熱場分布影響很小，因此可將其忽略。由于量子阱和電流擴展層厚度在納米數(shù)量級別，因此可將芯片近似為GaN材料。該多芯片LED器件封裝尺寸為7 mm×7.5 mm，芯片尺寸為1 mm×1 mm，器件內(nèi)部銅層厚度1.45 mm，多芯片LED器件固定于MCPCB，該MCPCB的尺寸為20 mm×20 mm×2 mm。 芯片熱導率為30 W·m-1·K-1, 芯片粘結(jié)層熱導率15 W·m-1·K-1,器件內(nèi)部銅層熱導率為180 W·m-1·K-1,多芯片LED器件與MCPCB之間導熱硅的膠熱導率為2.5 W·m-1·K-1，MCPCB熱導率 為170 W·m-1·K-1。本文采用有限元體積仿真軟件FLOTHERM對該樣品進行熱學仿真。其中邊界條件設(shè)置為25 ℃，同時對MCPCB的溫度進行固定設(shè)置，即所采用的流動模型為強制對流模型，所設(shè)置求解域范圍在1 m×1 m范圍。求解域的邊界條件設(shè)置為空氣導熱系數(shù)、粘滯度、密度分別為2.61×10-2W·m-1·K-1,1.84×10-5N·s·m-2,1.16 kg·m-3。

圖2 多芯片LED封裝結(jié)構(gòu)

5 結(jié)果與分析

圖3為多芯片LED器件在單顆芯片、2顆芯片、3顆芯片以及4顆芯片工作情況下的正向電壓隨溫度的變化趨勢。電壓隨著芯片增多而降低，可能原因為：基于肖特基二極管模型[6]，正向電壓與器件本身串聯(lián)電阻Rs成正比。隨著芯片數(shù)目增多，即并聯(lián)支路增多，進而使總的并聯(lián)多路Rs的總值減小，進而引起正向電壓降低。依據(jù)正向電壓隨溫度變化關(guān)系，計算電壓-溫度系數(shù)K，單顆芯片、2顆芯片、3顆芯片以及4顆芯片的電壓-溫度系數(shù)分別為-2.38，-2.43，-2.41，-2.47 mV·℃-1。

圖3 多芯片LED器件電壓-溫度曲線

多芯片LED器件結(jié)構(gòu)為4顆芯片并聯(lián)而成。將樣品固定在控溫熱沉之上，熱沉溫度為25 ℃，控制并聯(lián)支路總電流分別為350，700，1 050，1 400 mA，即350 mA工作電流分別同時加載于1顆、2顆、3顆、4顆芯片。圖4為多芯片LED器件的溫度響應(yīng)曲線圖，隨著加載電功率的增加，器件結(jié)溫明顯提高，單顆芯片、2顆芯片、3顆芯片以及4顆芯片的結(jié)溫升高幅度分別為9.7，11.5，13.7，17.2 ℃。圖5為多芯片LED器件溫度場仿真結(jié)果。

將樣品固定在控溫熱沉之上，測試其積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，如圖6所示。4顆芯片同時工作時，器件結(jié)至內(nèi)部銅層熱阻RJS4為2.1 ℃·W-1，內(nèi)部銅層至環(huán)境熱阻RSA為2.3 ℃·W-1；兩顆芯片同時工作下器件結(jié)至內(nèi)部銅層熱阻RJS2為4.4 ℃·W-1，大約為4顆芯片同時工作狀態(tài)下RJS的2倍，內(nèi)部銅層至環(huán)境熱阻RSA為2.0 ℃/W，大約等同于4顆芯片同時工作狀態(tài)下RSA；單芯片工作時器件RJS1為8.7 ℃·W-1，大約為4顆芯片同時工作狀態(tài)下RJS4的4倍；單芯片工作時器件RSA為2.2 ℃·W-1，大約等同于4顆芯片同時工作狀態(tài)下RSA。

圖4 多芯片LED器件溫度響應(yīng)曲線

圖5 多芯片LED器件溫度場仿真結(jié)果

圖6 多芯片LED器件積分結(jié)構(gòu)函數(shù)

將樣品固定在散熱器上，散熱器熱阻為12 ℃·W-1，用0.3～1.2 W電功率分別同時加載1顆、2顆、3顆、4顆芯片，測試其結(jié)溫。同時利用有限體積法及多芯片熱阻模型，計算結(jié)溫，計算值和測試值如圖7所示。單顆芯片同時加載0.3 W電功率時，器件結(jié)溫測試值為27.2 ℃，計算值為28.1 ℃，兩者誤差值為3.3%；當負載電功率為1.2 W時，結(jié)溫測試值為43.1 ℃，計算值為45.2 ℃，兩者誤差值為4.8%。4顆芯片同時加載0.3 W電功率時，器件結(jié)溫測試值為35.8 ℃，計算值為36.6 ℃，兩者誤差值為2.2%；當負載電功率為1.2 W時，結(jié)溫測試值為76.5 ℃，計算值為79.6 ℃，兩者誤差值為4.1%。1顆芯片、2顆芯片、3顆芯片以及4顆芯片在負載不同電功率情況下，結(jié)溫的測試值和計算值的最小誤差值為0.8%，最大誤差值為6.8%，平均誤差值為3.4%。因此可證實所采用的多芯片LED熱學模型以及有限體積數(shù)值計算方法的有效性。

圖7 多芯片LED器件結(jié)溫與電功率曲線

6 結(jié) 論

本文結(jié)合有限體積方法及多芯片LED熱學模型分析多芯片LED熱學特性。通過建立多芯片LED熱學模型可闡明器件內(nèi)部熱阻支路的變化情況，對研究器件內(nèi)部各層材料溫度響應(yīng)特性具有參考價值，另一方面該模型有助于更全面分析多芯片LED熱阻內(nèi)部芯片之間的熱耦合效應(yīng)。

對于多芯片LED器件結(jié)溫，單顆芯片、2顆芯片、3顆芯片以及4顆芯片在負載不同電功率(0.3～1.2 W)情況下，結(jié)溫的測試值和計算值的最小誤差值為0.8%，最大誤差值為6.8%，平均誤差值為3.4%，計算結(jié)果與測試結(jié)果基本保持一致，因此有利論證了多芯片LED熱學模型可為評價多芯片LED器件熱學性能提供重要參考。

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