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(xué) 物理與信息工程學(xué)院， 福建 漳州 363000)

1 引 言

多芯片LED器件是將多個(gè)LED芯片集成在散熱基板上，并實(shí)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(duì)于集成大功率芯片的LED器件，其內(nèi)部具有多個(gè)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(xué)特性以及電學(xué)特性，可靠性降低[3-4]。因此，分析多芯片LED器件內(nèi)部熱學(xué)模型，準(zhǔn)確計(jì)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(gè)重要環(huán)節(jié)[5-7]。

傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)方法需要通過對(duì)樣品進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)分析比對(duì)，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(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)LED的不同散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱模擬分析，通過對(duì)多種優(yōu)化結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，確定最合理的改進(jìn)方案，并最終將熱仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試進(jìn)行對(duì)比論證，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

多熱阻模型的優(yōu)點(diǎn)是熱分析行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的，它可以簡(jiǎn)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(shí)間，精度高于單熱阻以及雙熱阻模型，目前國(guó)外電子廠商和軟件公司對(duì)多熱阻模型的研究投入力度很大，國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，基于歐洲基金項(xiàng)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(jì)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(xué)模型，闡明器件內(nèi)部熱阻支路的變化情況，對(duì)研究器件內(nèi)部各層材料的溫度響應(yīng)特性具有參考價(jià)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(jì)算分析多芯片LED器件在不同負(fù)載電功率情況下的結(jié)溫，與測(cè)試值進(jìn)行比較，進(jìn)而驗(yàn)證所提出的熱學(xué)模型和計(jì)算方法的有效性。

2 有限體積法理論

有限體積法可認(rèn)為是有限差分法的積分形式，有限差分法對(duì)微分方程進(jìn)行離散，而有限體積法直接對(duì)積分方程進(jìn)行離散[9]。

如果求解域中有n個(gè)網(wǎng)格，則需要建立n組方程求解其對(duì)應(yīng)的溫度T，各個(gè)方向速度μ、ν、w，如有5 000個(gè)網(wǎng)格，則需要求解25 000個(gè)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(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格數(shù)量越多，求解精度越高，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)。在計(jì)算過程中選取每個(gè)單元網(wǎng)格作為一個(gè)有限監(jiān)控體。在每個(gè)監(jiān)控體內(nèi)，針對(duì)目標(biāo)變量，建立質(zhì)量、動(dòng)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(kuò)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(jìn)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(jìn)行瞬態(tài)分析，須對(duì)包含時(shí)間變量的方程進(jìn)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(jìn)行粗略計(jì)算，再將計(jì)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(jì)算時(shí)間。重點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵求解區(qū)域網(wǎng)格加密細(xì)化，進(jìn)行數(shù)值回插，獲得目標(biāo)變量的求解結(jié)果。

3 多芯片LED熱學(xué)模型

多芯片LED熱學(xué)模型如圖1所示，其中R1為多芯片LED器件中各個(gè)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(duì)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L(zhǎng)ED芯片熱功率,Ri為第ith結(jié)點(diǎn)的熱阻,當(dāng)熱阻支路與沿著X軸或Y軸方向相鄰結(jié)點(diǎn)連接時(shí)，則Ti為相鄰結(jié)點(diǎn)溫度。當(dāng)熱阻支路與沿著Z軸方向相鄰結(jié)點(diǎn)連接時(shí)，則Ti為該結(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)LED芯片結(jié)點(diǎn)到內(nèi)部銅層之間形成的熱阻相等，則有：

(5)

LED結(jié)點(diǎn)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(xué)模型

4 實(shí) 驗(yàn)

采用T3Ster&Teraled光電熱測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試多芯片LED器件的光學(xué)及熱學(xué)特性。T3Ster 是用于測(cè)試IC、LED、散熱器、熱管等電子器件熱特性的熱測(cè)試儀。運(yùn)用JEDEC靜態(tài)試驗(yàn)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(cè)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(cè)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(cè)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(hào)：MCE4WT-A2-0000-000K01)，為同一個(gè)基板上集成4顆芯片白光LED，這4顆芯片單獨(dú)引出電極焊盤，即可獨(dú)立控制每顆LED芯片的驅(qū)動(dòng)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(cè)試電流1 mA,熱沉溫度控制范圍25～55 ℃，每間隔10 ℃采集待測(cè)器件的正向電壓，依據(jù)電壓隨溫度變化關(guān)系，計(jì)算電壓-溫度系數(shù)K。將待測(cè)樣品加載電流350 mA，利用Teraled系統(tǒng)測(cè)試器件輸出的光功率，并將待測(cè)器件電功率扣除所測(cè)試的光功率，獲得其熱功率。

本文對(duì)LED芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化處理，芯片由P型、N型GaN、多量子阱InGaN、電流擴(kuò)展層和電極組成。作為優(yōu)化電流密度分布的電極，因?yàn)閷?duì)器件熱場(chǎng)分布影響很小，因此可將其忽略。由于量子阱和電流擴(kuò)展層厚度在納米數(shù)量級(jí)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(dǎo)率為30 W·m-1·K-1, 芯片粘結(jié)層熱導(dǎo)率15 W·m-1·K-1,器件內(nèi)部銅層熱導(dǎo)率為180 W·m-1·K-1,多芯片LED器件與MCPCB之間導(dǎo)熱硅的膠熱導(dǎo)率為2.5 W·m-1·K-1，MCPCB熱導(dǎo)率 為170 W·m-1·K-1。本文采用有限元體積仿真軟件FLOTHERM對(duì)該樣品進(jìn)行熱學(xué)仿真。其中邊界條件設(shè)置為25 ℃，同時(shí)對(duì)MCPCB的溫度進(jìn)行固定設(shè)置，即所采用的流動(dòng)模型為強(qiáng)制對(duì)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(dǎo)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(shì)。電壓隨著芯片增多而降低，可能原因?yàn)椋夯谛ぬ鼗O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(jìn)而使總的并聯(lián)多路Rs的總值減小，進(jìn)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(jì)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?zé)岢林希瑹岢翜囟葹?5 ℃，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(shí)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(chǎng)仿真結(jié)果。

將樣品固定在控溫?zé)岢林?，測(cè)試其積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，如圖6所示。4顆芯片同時(shí)工作時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)工作狀態(tài)下RSA；單芯片工作時(shí)器件RJS1為8.7 ℃·W-1，大約為4顆芯片同時(shí)工作狀態(tài)下RJS4的4倍；單芯片工作時(shí)器件RSA為2.2 ℃·W-1，大約等同于4顆芯片同時(shí)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(chǎng)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(shí)加載1顆、2顆、3顆、4顆芯片，測(cè)試其結(jié)溫。同時(shí)利用有限體積法及多芯片熱阻模型，計(jì)算結(jié)溫，計(jì)算值和測(cè)試值如圖7所示。單顆芯片同時(shí)加載0.3 W電功率時(shí)，器件結(jié)溫測(cè)試值為27.2 ℃，計(jì)算值為28.1 ℃，兩者誤差值為3.3%；當(dāng)負(fù)載電功率為1.2 W時(shí)，結(jié)溫測(cè)試值為43.1 ℃，計(jì)算值為45.2 ℃，兩者誤差值為4.8%。4顆芯片同時(shí)加載0.3 W電功率時(shí)，器件結(jié)溫測(cè)試值為35.8 ℃，計(jì)算值為36.6 ℃，兩者誤差值為2.2%；當(dāng)負(fù)載電功率為1.2 W時(shí)，結(jié)溫測(cè)試值為76.5 ℃，計(jì)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(fù)載不同電功率情況下，結(jié)溫的測(cè)試值和計(jì)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(shí)所采用的多芯片LED熱學(xué)模型以及有限體積數(shù)值計(jì)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(xué)模型分析多芯片LED熱學(xué)特性。通過建立多芯片LED熱學(xué)模型可闡明器件內(nèi)部熱阻支路的變化情況，對(duì)研究器件內(nèi)部各層材料溫度響應(yīng)特性具有參考價(jià)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(duì)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(fù)載不同電功率(0.3～1.2 W)情況下，結(jié)溫的測(cè)試值和計(jì)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(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本保持一致，因此有利論證了多芯片LED熱學(xué)模型可為評(píng)價(jià)多芯片LED器件熱學(xué)性能提供重要參考。

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