基于塑料散热器无基板板上芯片封装的LED热分析

　　光学学报基于塑料散热器无基板板上芯片封装的LED热分析陈颖聪1文尚胜12吴玉香312 1华南理工大学材料科学与工程学院，广东广州510640 2华南理工大学发光材料与器件国家重点的基本模型。简化模型中各层结构的尺寸大小和导热系数如表1所示。

　　（b）无基板塑料散热器3结果与讨论3.1总输入功率为0.864W时两种不同的COB封装方式的对比定义仿真器件表面与空气之间的自然对流系数为10WAm2.K），环境温度为20°C.设定所使用芯片工作电压为3V，工作电流为36mA，芯片的输入功率为1.08X10-1W，假设其中60转换为热能，即发热功率约为6. 48X10-2W，因为基板上共有芯片8颗，所以总输入功率为8.将各芯片视为整体发光，芯片的发光体积V为0.25X10―10m3，故施加于芯片实体上的热生成率通过Ansys有限元计算可以得到温度场分布，如所示。比较两图可以发现，在相同的热载荷条件下，两种不同的COB封装方的高温度都出现在LED芯片处。

　　plasticradiatorwithoutsubstrate陶瓷基板的COB封装结构仿真得到的高温度83K/W；塑料散热器无基板COB封装得到的高温度为297. 98K，热阻为5.75K/W.当散热材料的厚度为5mm的时候，由于散热器的厚度小，此时限制散热效果的主要因素是自然对流系数的大小，虽然铝散热器的导热系数为237W八mK），塑料散热器的导热系数为20W八mK），但对结温的影响也相差不大。采用塑料散热器的封装方式比陶瓷基板COB封装方式有着更简单的结构和成本更低的生产加工工艺等优点，表现出的优势。通过更进一步的仿真表明，当塑料散热器的导热系数继续增加的时候，结温将继续下降，达到更优于陶瓷基板COB封装方式的散热效果。

　　但是，一般情况下，材料的导电性能会随着导热系数的增加而增加，因此，塑料散热器的导热系数受限于塑料散热器的绝缘能力，不能通过填充石墨等导热材料而无限地增加，一般导热系数在1020W八mK）左右的导热塑料，即可满足散热需要。3.2影响塑料散热器散热效果因素的讨论影响塑料散热器散热效果的因素主要有塑料散热器的导热系数的、散热器表面与空气之间的对流系数、塑料散热器的厚度以及塑料散热器表面与空气接触的散热面积。对于散热面积对塑料散热器散热效果的影响，对流传热方程为的增大，热对流就越强，达到个更好的散热效果。

　　进一步对影响塑料散热器因素的物理量进行模拟仿真。为了简化仿真过程，忽略散热翅片带来的散热效果，并且从原来的8个芯片简化为1个芯片，简化后的模型如所示，模型各层结构的尺寸与导热系数如表1所示。

　　3.2.1塑料散热器厚度对散热效果的影响通过改变塑料散热器的厚度，得到各个厚度的塑料散热器的温度分布图。在直角坐标轴上表示不同发热功率下热阻值与厚度的关系，如所示。

　　可以看到在塑料散热器的厚度大于3mm时，热阻随着散热器厚度增大，先缓慢下降，再缓慢上升，而当厚度为3.9mm时，热阻小，散热能力佳；而当厚度小于3mm时，继续减少塑料散热器的厚度，热阻迅速增大。这是因为当厚度很小的时候，由于空气的对流系数小，芯片所产生的热量即使能很快扩散到散热器表面，但不能及时地散去，致使散热器的效果不佳，LED芯片的结温不降反升。

　　另外，通过仿真模拟。随着散热器的导热系数增加，热阻有下降的趋势，在导热系数小于20W/（mK）时，导热系数的改变对热阻的影响很大，当导热系数大于20WmK）时，热阻的改变逐渐趋向于0，即结温的温度差变化趋于0.塑料散热器热阻随导热系数的变化曲线3.2.3散热器表面与空气之间的对流系数对散热效果的影响通过设定塑料散热器的导热系数为20W/（mK），改变塑料散热器表面与空气之间的对流系数，得到对流系数与热阻的关系，如所示。可见，在对流系数大于10W/（m2K）时，热阻随着对流系数的增加而接近线性减小。

　　塑料散热器热阻随对流系数的变化曲线虽然塑料散热器的散热效果都会随着材料的导热系数的增加和表面与空气间的对流系数的增加而变好，但在实际生产中，塑料散热器的导热系数不能无限制地增加，要达到更好的散热效果，可以通过加强塑料散热器表面与空气间的对流系数或增大对流换热的面积来实现。

　　4结论通过理论分析和仿真模拟，将基于塑料散热器无基板COB封装方式与典型的COB封装进行有限元热仿真模拟对比分析。利用Ansys有限元分析软件分别获得两种封装方式在相同条件下的温度场分布，通过分析比较温度场分布，得出两种结构散热性能的差异。结果表明，当器件正常工作时，高温度均出现在芯片上，而基于导热系数为20W/（mK）的塑料散热器无基板COB的封装方式，其散热能力媲美陶瓷基板的COB封装，而且更优于传统的金属基板的COB封装。进一步模拟仿真得出，随着塑料散热器的厚度增加，LED器件的热阻先是迅速下降，然后缓慢上升，当塑料散热器的厚度为3. 9mm时，LED器件散热效果佳，另外，通过调节塑料散热器的导热系数和对流系数，可以达到个更好的散热效果。

　　由于塑料材料具有容易加工生产及色泽丰富等优势，基于塑料散热器无基板COB封装的结构十分有优势，为解决LED灯具散热问题提供了一条新的途径。