大功率遠(yuǎn)程熒光粉型白光LED散熱封裝設(shè)計(jì)

陳 華， 周興林， 湯 文， 呂悅晶

(武漢科技大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院， 湖北 武漢 430223)

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大功率遠(yuǎn)程熒光粉型白光LED散熱封裝設(shè)計(jì)

陳 華*， 周興林， 湯 文， 呂悅晶

(武漢科技大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院， 湖北 武漢 430223)

針對(duì)大功率遠(yuǎn)程熒光粉型白光LED存在的散熱問(wèn)題，研究了其封裝結(jié)構(gòu)的散熱設(shè)計(jì)方法。在分析現(xiàn)有遠(yuǎn)程熒光粉型白光LED封裝結(jié)構(gòu)及散熱特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出將熒光粉層與芯片熱隔離的同時(shí)開(kāi)辟獨(dú)立的熒光粉層散熱路徑的熱設(shè)計(jì)方法。仿真分析結(jié)果表明：新的設(shè)計(jì)能夠在不增加燈珠徑向尺寸的同時(shí)改善熒光粉層的散熱能力。在相同邊界條件下，改進(jìn)設(shè)計(jì)后的熒光粉層溫度較改進(jìn)前降低了10.7 ℃，芯片溫度降低了0.55 ℃。在芯片基座上設(shè)置熱隔離槽對(duì)芯片和熒光粉層溫度的影響可以忽略。為了達(dá)到最優(yōu)的芯片和熒光粉層溫度配置，對(duì)熒光粉層與芯片之間封裝膠層厚度進(jìn)行優(yōu)化是必要的。新的封裝方法將芯片和熒光粉層的散熱問(wèn)題相互獨(dú)立出來(lái)，既避免了二者的相互加熱問(wèn)題，又增加了燈珠光學(xué)設(shè)計(jì)的自由度。

LED燈； 熒光粉； 散熱設(shè)計(jì)； 封裝

1 引 言

LED由于其體積小、壽命長(zhǎng)、綠色節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)成為繼白熾燈、熒光燈和HID燈之后的第四代照明光源[1]。熒光粉轉(zhuǎn)換型白光LED具有封裝工藝簡(jiǎn)單、體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，是目前照明市場(chǎng)的主流產(chǎn)品[2]。熒光轉(zhuǎn)換型白光LED的發(fā)光原理是在LED芯片表面涂覆一層熒光粉混合物，熒光粉在芯片發(fā)出的光的激發(fā)下產(chǎn)生其他顏色的光，與芯片發(fā)出的光混合而產(chǎn)生白光。雖然LED燈具有節(jié)能高效的優(yōu)點(diǎn)，但是LED芯片的光轉(zhuǎn)換效率在20%～30%左右，剩余能量轉(zhuǎn)換為內(nèi)能導(dǎo)致芯片溫度升高。溫度過(guò)高會(huì)加劇燈具光衰，從而影響燈具壽命。研究表明，溫度不僅影響LED芯片的壽命，也會(huì)引發(fā)熒光粉的熱失效問(wèn)題，甚至當(dāng)溫度高于某一閾值時(shí)，熒光粉出現(xiàn)不發(fā)光現(xiàn)象，亦即“熱猝滅”現(xiàn)象[3-5]。熒光粉的溫升主要來(lái)自于熒光粉光吸收的自熱作用和LED芯片發(fā)熱的互熱作用[6-8]。實(shí)測(cè)表明，在工作狀態(tài)下，熒光粉溫度較芯片溫度高[8]。隨著白光LED的大量商業(yè)化應(yīng)用，LED芯片的功率也逐步升高到了瓦級(jí)以上，LED芯片散熱技術(shù)成為了制約大功率LED燈應(yīng)用的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的熒光轉(zhuǎn)換型LED在封裝時(shí)直接將熒光粉混合物涂覆于LED芯片上，在熒光粉混合物上再安裝透鏡和填充樹(shù)脂以排空透鏡和芯片之間的空氣，在LED芯片的安裝基板的另一側(cè)安裝散熱器。由于從樹(shù)脂-透鏡到環(huán)境的熱傳導(dǎo)路徑的熱阻過(guò)大，熒光粉產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)芯片-基板-散熱器的熱傳導(dǎo)路徑傳出。為了減少芯片溫升對(duì)熒光粉層的加熱作用、提高白光LED的發(fā)光質(zhì)量和發(fā)光效率，提出了遠(yuǎn)程熒光粉技術(shù)[9]。所謂遠(yuǎn)程熒光粉技術(shù)，即將熒光粉與LED芯片之間填充一定厚度的封裝膠，封裝膠不僅起到隔離熒光粉與芯片之間的熱傳導(dǎo)的作用，而且能夠調(diào)節(jié)熒光粉與芯片的距離，增加了芯片封裝設(shè)計(jì)的自由度，從而提高燈具的出光效率[10]。

遠(yuǎn)程熒光粉技術(shù)是白光LED發(fā)展過(guò)程中的一大技術(shù)創(chuàng)新[9]。雖然遠(yuǎn)程熒光粉技術(shù)在一定程度上隔離了芯片發(fā)熱對(duì)熒光粉的加熱作用，但是卻忽略了熒光粉的光致發(fā)熱效應(yīng)導(dǎo)致的吸熱[11]。由于熒光粉到散熱器的熱傳導(dǎo)路徑更長(zhǎng)，熒光粉的溫度比芯片溫度更高，過(guò)高的溫度將導(dǎo)致熒光粉自身轉(zhuǎn)化效率降低，甚至引起硅膠碳化，導(dǎo)致熒光粉失效[12]。對(duì)遠(yuǎn)程熒光粉LED進(jìn)行針對(duì)性的散熱設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。車(chē)振、胡潤(rùn)等[8,13-14]從熒光粉濃度、顆粒形狀以及芯片表面粗化等角度研究了如何提高熒光粉層的光熱轉(zhuǎn)化效率，從而減少熒光粉自發(fā)熱量。Perera[15]設(shè)計(jì)了在熒光粉層周?chē)訜岢粒⒎謩e對(duì)熱沉采用主動(dòng)和被動(dòng)散熱的方法來(lái)降低熒光粉層溫升，其優(yōu)點(diǎn)是可以大幅降低熒光粉層溫度，缺點(diǎn)表現(xiàn)在會(huì)增大燈具封裝尺寸，同時(shí)由于散熱器的遮擋，燈具的出光效率會(huì)受到影響。Huang等[16-17]研究了照明過(guò)程中熒光粉層所產(chǎn)生熱量的理論模型，證明要降低熒光粉層溫度，開(kāi)辟針對(duì)于熒光粉層的新的散熱路徑是必要的。

現(xiàn)有的大部分LED封裝的熱設(shè)計(jì)集中在提高LED封裝外部的散熱能力，包括散熱器的主動(dòng)散熱和被動(dòng)散熱設(shè)計(jì)[18]，關(guān)于LED封裝內(nèi)部的熱設(shè)計(jì)，尤其是熒光粉硅膠混合物的散熱設(shè)計(jì)還很少[8]。本文針對(duì)遠(yuǎn)程熒光粉型LED在散熱設(shè)計(jì)中存在的不足，展開(kāi)熒光粉層散熱設(shè)計(jì)研究。在分析現(xiàn)有遠(yuǎn)程熒光粉型白光LED封裝結(jié)構(gòu)及散熱特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出在封裝結(jié)構(gòu)中將熒光粉層與芯片熱隔離的同時(shí)開(kāi)辟獨(dú)立的熒光粉層散熱路徑的熱設(shè)計(jì)方法。仿真分析結(jié)果表明，在封裝設(shè)計(jì)中增加熒光粉層與芯片之間的距離、在芯片基座上設(shè)置專(zhuān)門(mén)用于熒光粉層的熱傳導(dǎo)通道，能夠有效隔離熒光粉層與芯片之間的熱傳導(dǎo)，同時(shí)能夠在不增加燈珠徑向尺寸的同時(shí)改善熒光粉層的散熱效果。新的封裝方法將芯片和熒光粉層的散熱問(wèn)題相互獨(dú)立出來(lái)，既避免了二者的相互加熱問(wèn)題，又增大了燈珠光學(xué)設(shè)計(jì)的自由度。

2 遠(yuǎn)程熒光粉型白光LED結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與散熱路徑分析

2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

LED芯片發(fā)熱是由芯片的電光轉(zhuǎn)換效率決定的，約有70%～80%的電輸入功率被轉(zhuǎn)換成熱能。熒光粉層的發(fā)熱主要來(lái)自于熒光粉的光致發(fā)熱效應(yīng)和熒光粉對(duì)芯片發(fā)出的光的吸收。其中光致發(fā)熱為主要因素，約有30%到達(dá)熒光粉層的光能被吸收轉(zhuǎn)化為熱能。圖1為遠(yuǎn)程熒光粉型封裝方式的白光LED的基本構(gòu)型，圖2為其散熱路徑分析。

圖1 遠(yuǎn)程熒光粉型白光LED封裝結(jié)構(gòu)

圖2 熒光粉層和芯片的散熱路徑Fig.2 Heat transfer paths of the remote phosphor layer and the chip

從圖2可以看出，芯片的主要散熱路徑是通過(guò)基座、熱界面材料的熱傳導(dǎo)作用將熱量傳導(dǎo)至散熱器散出；熒光粉的主要散熱路徑包括向上通過(guò)透鏡向環(huán)境的熱傳導(dǎo)和向下通過(guò)LED芯片到達(dá)散熱器的熱傳導(dǎo)兩個(gè)途徑。由于封裝硅膠和硅樹(shù)脂透鏡的熱傳導(dǎo)系數(shù)很低，通常認(rèn)為該路徑的熱傳導(dǎo)作用可以忽略，即熒光粉的熱量主要通過(guò)LED芯片從散熱器散出，這就不可避免地產(chǎn)生了芯片和熒光粉的互熱作用。由于透鏡、硅樹(shù)脂對(duì)紅外熱輻射具有透射作用，同時(shí)它們和芯片的溫度不高，因此熱輻射的影響基本可以忽略不計(jì)。

2.2傳統(tǒng)封裝LED散熱特點(diǎn)仿真分析

圖3是針對(duì)上述遠(yuǎn)程熒光粉型白光LED的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行的仿真分析。假設(shè)芯片的總輸入功率為1 W，芯片出光效率為30%，即芯片的發(fā)熱量為0.7 W。取熒光粉的光轉(zhuǎn)換效率為70%，即有0.09 W光能被熒光粉吸收變?yōu)閮?nèi)能。封裝結(jié)構(gòu)所采用的材料及其熱傳導(dǎo)系數(shù)見(jiàn)表1。分析時(shí)取環(huán)境溫度為30 ℃，忽略熱輻射的影響，燈珠的透鏡上表面與環(huán)境之間取自然對(duì)流換熱系數(shù)5 W/(m2·℃)。芯片與基座之間的絕緣層為絕緣性的導(dǎo)熱膠，其厚度L為0.02 mm，熱傳導(dǎo)系數(shù)λ為1.2 W/(m·℃)，芯片尺寸為1 mm(長(zhǎng))×1 mm(寬)× 0.15 mm(厚)，引入的熱阻為R=L/(Aλ)=16.7 ℃/W?；c散熱器間也有0.02 mm厚的導(dǎo)熱膠，其等效熱阻均按上述算法計(jì)算。

圖3 傳統(tǒng)封裝LED散熱特點(diǎn)仿真分析。(a)仿真分析遠(yuǎn)程熒光粉LED結(jié)構(gòu)示意圖；(b)整體溫度分布；(c)芯片和熒光粉層溫度分布。

Fig.3 Thermal simulation analysis of the traditional LED package. (a) Structure of the remote phosphor LED. (b) Whole temperature distribution of the model. (c) Temperature distribution of the chip and the phosphor layer.

表1 熱仿真分析所用到的材料屬性

仿真分析結(jié)果表明，芯片最高溫度為69.07 ℃，熒光粉層最高溫度為73.57 ℃。由于散熱路徑較長(zhǎng)，熒光粉層的溫度較芯片溫度要高；且由于大部分熱量是從芯片向散熱器散出，熒光粉層溫度呈距芯片近的位置低、距熒光粉遠(yuǎn)的位置高的分布趨勢(shì)。這也表明由于熒光粉層散熱不良，對(duì)芯片形成了加熱作用。為了降低熒光粉層溫度，設(shè)計(jì)針對(duì)于熒光粉層的新的散熱路徑是必要的。

3 熒光粉層散熱設(shè)計(jì)

3.1熒光粉層散熱設(shè)計(jì)方法

針對(duì)熒光粉層的散熱設(shè)計(jì)包含兩個(gè)方面：一是增加熒光粉層與芯片之間的導(dǎo)熱熱阻，以減小芯片與熒光粉層的相互加熱作用；二是為熒光粉層設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的散熱路徑，有效散出熒光粉層熱量。

3.1.1 芯片和熒光粉層熱隔離設(shè)計(jì)

芯片和熒光粉層的熱隔離主要通過(guò)控制二者之間填充的硅膠厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常情況下，熒光粉層和芯片之間的硅膠是球面的。假設(shè)硅膠的內(nèi)外層球面同心，則其導(dǎo)熱的熱阻可以描述為

(1)

其中λ為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，r1、r2分別為球面硅膠的內(nèi)徑和外徑。由于材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)是確定的，硅膠的最小內(nèi)徑也是確定的，所以若想增大熱阻，則必須增大硅膠層的外徑，即增加硅膠層的厚度。假設(shè)30 ℃/W的熱阻足夠，在本案例中r1=3.8 mm，λ=0.18W/(m·℃)，則r2=4.94mm。理論計(jì)算考慮的是簡(jiǎn)化條件下的熱隔離設(shè)計(jì)，實(shí)際設(shè)計(jì)的合理性將通過(guò)仿真分析進(jìn)行驗(yàn)證。如果仿真分析表明隔離效果不佳，則可增加熱阻，修改模型設(shè)計(jì)參數(shù)，再進(jìn)行復(fù)算，直到合適為止。

3.1.2 熒光粉層的散熱路徑設(shè)計(jì)

由于熒光粉層通過(guò)透鏡的熱傳導(dǎo)作用散發(fā)到環(huán)境中的路徑熱阻較大，同時(shí)由于透鏡形狀是根據(jù)光效最大化設(shè)計(jì)的，無(wú)法因?yàn)樯岫脑O(shè)計(jì)，因此熒光粉層的散熱路徑依然是向下傳導(dǎo)，最終從散熱器散失。圖4是改進(jìn)后的封裝結(jié)構(gòu)。

圖4 改進(jìn)后的LED封裝結(jié)構(gòu)

3.2散熱設(shè)計(jì)有效性的仿真驗(yàn)證

改進(jìn)后的封裝設(shè)計(jì)增大了熒光粉層與芯片之間的封裝膠厚度，封裝膠的最大厚度從改進(jìn)前的1.1mm變?yōu)?.0mm。另外，在基座上增加了熒光粉層的散熱面。由于芯片和熒光粉層共用散熱基座，為了減少二者的相互影響，在基座上增加了熱隔離凹槽。圖5為改進(jìn)設(shè)計(jì)后的仿真分析結(jié)果。

仿真分析結(jié)果表明，改進(jìn)封裝設(shè)計(jì)后，芯片最高溫度為68.52 ℃，熒光粉層最高溫度為62.87 ℃。芯片溫度較改進(jìn)設(shè)計(jì)前降低了0.55 ℃；熒光粉溫度較改進(jìn)設(shè)計(jì)前降低了10.7 ℃，且溫度呈內(nèi)徑高外徑低的趨勢(shì)，表明熒光粉層與芯片實(shí)現(xiàn)了良好的熱隔離，熒光粉層熱量主要從基座導(dǎo)出。改進(jìn)封裝設(shè)計(jì)后，芯片和熒光粉層的散熱通道基本實(shí)現(xiàn)了相互獨(dú)立，從而將芯片和熒光粉層的散熱問(wèn)題分離開(kāi)來(lái)，既避免了二者的相互加熱問(wèn)題，也增大了燈珠光學(xué)設(shè)計(jì)的自由度。

圖5 改進(jìn)封裝后LED散熱特點(diǎn)仿真分析。(a)整體溫度分布；(b)芯片和熒光粉層溫度分布。

Fig.5ThermalsimulationanalysisoftheredesignedLEDpackage. (a)Wholetemperaturedistributionofthemodel. (b)Temperaturedistributionofthechipandthephosphorlayer.

3.3散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

在改進(jìn)封裝設(shè)計(jì)中，有3個(gè)散熱環(huán)節(jié)發(fā)生了改變，即芯片和熒光粉層間的封裝硅膠厚度增加、熒光粉到基座的散熱通道設(shè)計(jì)以及基座上的熱隔離凹槽設(shè)計(jì)。為了獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)熱隔離凹槽及芯片和熒光粉層間的封裝硅膠厚度進(jìn)行優(yōu)化是必要的。

3.3.1 熱隔離凹槽的必要性分析

熱隔離凹槽設(shè)計(jì)會(huì)增加基座制造工藝?？紤]到銅基座的熱傳導(dǎo)系數(shù)很高，熱隔離凹槽是否能夠有效地起到隔熱的作用需要通過(guò)仿真驗(yàn)證。我們將改進(jìn)后設(shè)計(jì)的模型去掉熱隔離凹槽后進(jìn)行了熱仿真分析，圖6是仿真分析結(jié)果的半剖切圖。

圖6 去掉熱隔離凹槽的LED散熱仿真分析

Fig.6ThermalsimulationanalysisoftheredesignedpackagingLEDwithoutthethermalinsulationgroove

仿真分析結(jié)果表明，去掉凹槽后，芯片最高溫度為68.08 ℃，熒光粉層最高溫度為61.58 ℃。芯片和熒光粉溫度都略有下降，表明由于銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)很高，熱隔離凹槽并沒(méi)有起到隔熱的作用，反而因?yàn)椴牧系娜コ郎p小了橫截面積，從而導(dǎo)致了芯片和熒光粉層的溫升。

3.3.2 芯片和熒光粉層間封裝膠厚度優(yōu)化分析

芯片和熒光粉層間封裝膠的厚度優(yōu)化分析是基于去除熱隔離凹槽后的模型進(jìn)行的。分析時(shí)，只改變封裝膠層的厚度，熒光粉層厚度和燈珠的外形尺寸不發(fā)生變化。封裝膠層厚度從開(kāi)始的2.0mm按0.3mm遞減，采用仿真分析的辦法觀察芯片和熒光粉層溫度的變化。仿真分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 芯片和熒光粉層溫度隨封裝膠層厚度的變化

Fig.7Changeofthetemperaturesofthechipandthephosphorlayerwiththethicknessofthethermalinsulationglue

從圖7可以看出，隨著封裝膠層厚度的減小，芯片和熒光粉層的溫度都逐漸升高。芯片對(duì)熒光粉層形成了加熱作用。雖然芯片的溫度變化較小，但是芯片所傳遞過(guò)去的微弱熱量既導(dǎo)致了熒光粉層較大的溫升，反過(guò)來(lái)又影響了芯片的溫度。這主要是由熒光粉層較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)決定的。仿真分析結(jié)果表明，在相同的邊界條件下，為了達(dá)到最優(yōu)的芯片和熒光粉層溫度配置，對(duì)二者之間的封裝膠層厚度進(jìn)行優(yōu)化是必要的。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要結(jié)合光學(xué)設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)遠(yuǎn)程熒光粉型大功率白光LED存在的封裝散熱問(wèn)題，在分析現(xiàn)有熒光粉型白光LED封裝結(jié)構(gòu)及散熱特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出在封裝結(jié)構(gòu)中將熒光粉層與芯片熱隔離的同時(shí)開(kāi)辟針對(duì)于熒光粉層的散熱路徑的熱設(shè)計(jì)方法，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了熱設(shè)計(jì)的有效性。對(duì)新的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真分析結(jié)果表明，在封裝結(jié)構(gòu)中增加熒光粉層與基座之間的導(dǎo)熱路徑和控制芯片與熒光粉層間封裝膠層的厚度，能夠有效降低熒光粉層溫度，同時(shí)能夠隔離熒光粉層與芯片之間的熱傳導(dǎo)，降低二者之間的相互熱影響。新的設(shè)計(jì)在不增加燈珠徑向尺寸的同時(shí)改善了熒光粉層的散熱效果，也使得芯片和熒光粉層的散熱問(wèn)題相互獨(dú)立出來(lái)，增大了燈珠光學(xué)設(shè)計(jì)的自由度。本文的研究過(guò)程和結(jié)果對(duì)于LED燈珠的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

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陳華(1983-)，女，湖北十堰人，博士，講師，2011年于中科院長(zhǎng)春光機(jī)所獲得博士學(xué)位，主要從事LED車(chē)前照燈散熱和道路檢測(cè)技術(shù)的研究。

E-mail: chenhua.tyb@126.com

Thermal Design of High Power Remote Phosphor White LED Package

CHEN Hua*, ZHOU Xing-lin, TANG Wen, LYU Yue-jing

(SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,WuhanUniversity
ofScienceandTechnology,Wuhan430223,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:chenhua.tyb@126.com

Aiming at the heat dissipation problem of the high power remote phosphor white LED, the heat dissipation method of the package structure was studied. Based on the structure of the phosphor type white LED package and its characteristics of heat dissipation, a thermal managing method of the package was put forward, which both thermally insulated the chip and the phosphor layer and created a independent thermal dissipation path for the phosphor layer. The simulation results show that the redesigned package reduces the chip temperature by 0.55 ℃ and the phosphor layer temperature by 10.7 ℃ under the same boundary condition, indicating that the new design can reduce the phosphor layer temperature without increasing the radius dimension of the package. The effect of the thermal isolation groove on the chip base can be ignored. To achieve the optimal chip and phosphor layer temperatures distribution, the thickness of the insulation layer between the chip and the phosphor should be optimized. The new method makes the thermal management problems of the chip and the phosphor layer independent to each other, which avoids the mutual heating problems of the two, and also increases the optical design freedom of the lamp.

LED lamp; phosphor; thermal design; package

2016-09-28；

2016-11-08

湖北省自然科學(xué)基金(2015CFB220)；湖北省科技支撐計(jì)劃(2014BEC055)；湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2015CFA064)； 國(guó)家自然科學(xué)基金(51578430)； 武漢科技大學(xué)青年科技骨干培育計(jì)劃資助項(xiàng)目 Supported by Natural Science Fund of Hubei Province(2015CFB220);Science and Technology Support Project of Hubei Province(2014BEC055); State Key Program of Natural Science Fund of Hubei Province(2015CFA064); National Natural Science Fund of China(51578430); Youth Science and Technology Backbone Training Program of Wuhan University of Science and Technology

1000-7032(2017)01-0097-06

TN312.8

A

10.3788/fgxb20173801.0097