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善用CFD模拟散热效能缩减高功率LED开发时程

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善用CFD模擬散熱效能　縮減高功率LED開發時程
新電子 2008 年 6 月號 267 期
文．Oon Siang Ling

高功率LED的應用日益擴大，但散熱問題仍是廠商頭痛的課題，而現可藉由計算動力分析模型進行LED封裝的熱能分析，以降低產品設計初期的複雜度，加快產品上市時程。

高功率、高亮度發光二極體(LED)由於具有良好的色彩飽和度、長效壽命，目前正逐漸切入眾多照明應用，不過要如何避免LED過熱，卻是散熱設計工程師必須面對的重大考驗，因此在設計過程中，計算流體動力分析(Computational Fluid Dynamic, CFD)模型的重要性也愈益突顯。本文中將比較採用星形金屬核心印刷電路板(MCPCB)的高功率LED，包裝在搭配與未使用散熱片情況下的實驗結果，在進行比較討論後，將提供一個應用在搭配散熱片LED包裝上的溫度模型建立技術，由此看來，採用CFD模型所取得的結果相當可行，同時也展現出此項技術可應用在LED系統層級的評估上，文章中並將討論在LED包裝上採用散熱介面材料(Thermal Interface Material, TIM)所帶來的效應。  
預估LED散熱　簡化產品設計  
能夠預先推估LED的散熱效能表現，對協助設計工程師有效縮短採用LED產品的上市時間已是不容忽略的事實，不過，當熱能流動與封裝密度越來越高時，LED封裝模組的散熱設計就變得更加困難，同時模組的設計與熱能分析也更為重要，因此CFD的模擬已成為電子產品設計初期熱能分析普遍使用的方法，CFD主要包含有流體流動、熱傳導以及熱幅射等相關程序的數值模擬分析。  
本篇文章提出建立一個帶有散熱片高功率LED星形封裝的步驟，首先針對採用星形基體的LED封裝建立詳細的模型，接著在LED星形封裝的底部加上散熱片，最後再將模擬結果與實驗數據進行比較。  
文章的另一個重點則在於TIM對LED封裝帶來的影響，主要目的是用來找出不同介面厚度(Bond Line Thickness, BLT)散熱介面材料的特性，以及材料中空隙的百分比。  
依溫度模型建立技術  
採用星形基體的LED封裝使用Flomeric出品的CFD工具Flotherm來建立模型。  
模型描述為首要工作  
首先建立詳細的模型，以便找出與實際測量結果間的誤差百分比，LED封裝的詳細尺寸參數以及包裝材料的熱傳導能力參考表1。

表1　帶散熱片LED星狀包裝的結構細節以及包裝材料的導熱能力
編號
零組件
材料
熱傳導能力
(W/m.K)
尺寸
1
導線架
銅
364
請參考前述
2
反射物
塑膠
0.2
8.5毫米×8.5毫米×3.3毫米
3
晶片

藍寶石
23
40 mils晶片
4
晶片接合物
銀膠
2.5
10微米厚
5
密封材料
矽樹脂
0.2
-
6
金屬化表面
銅
385
35微米厚
7
介電質層
氧化鋁
8
75微米厚
8
散熱介面材料1

1.5-60
10～50微米厚
9
導熱膠帶

2
0.125毫米厚
10
散熱片
陽極氧化鋁
200
110根鰭片，基底為23毫米x23毫米x1.5 毫米、鰭片高8毫米、厚0.8毫米、鰭片間隔1毫米。
圖1分別為LED封裝的前視圖與布局安排，封裝與基體間加入焊膏，當包裝達到1.3瓦的最大功率時，使用標準的自然與強制對流空氣散熱方式，並無法將接面溫度維持在125℃以下的可接收範圍內，因此須加上散熱片以能符合目標溫度的要求，要將散熱片封裝在LED上，首先要把導熱膠帶黏貼在散熱片後端，接著將散熱片封裝在LED基體的底部。

圖1　上圖為安華高科技Moonstone星形包裝功率LED ASMT-Mx09的前視圖與側視圖。下圖為採用星形包裝的LED產品ASMT-Mx09。
再設定柵格/邊界條件  
要進行CFD分析，須先假設三維空間、穩定狀態、穩定氣流、空氣特性穩定、環境溫度為25℃、計算範圍為305毫米×305毫米×305毫米，以及散熱方式透過自然散熱、熱傳導與熱輻射的條件。  
詳細散熱片模型的基體LED包裝整體柵格數大約為二十萬個，在柵格數設定上，建議在散熱片每個鰭片間至少使用三個。  
剖析熱阻/數值/實驗結果  
接著要計算熱阻、數值分析以及實驗結果。  
測量介電層以計算熱阻  
要計算垂直通過晶片的熱阻，須測量晶片黏合層、晶片墊片、TIM、散熱片以及與基體間的介電層，每階層都各自擁有自己的導熱特性(表2)，其中通過晶片，也就是接面到外部環境的熱阻RJA可透過方程式(1)、(2)加以計算：

RJA＝RJ-MS+RMS-A----(1)
RMS-A＝(TMS－TA)/Power ----(2)
其中RJ-MS＝10 ℃/W  
RJA代表熱能由LED晶片傳遞到外界的能力，也就是說，RJA的數值越低、散熱效能越好，圖2分別顯示封裝結構的3D、2D橫切面圖，有助於了解整個散熱路徑。

圖2　上圖為LED星狀包裝的3D剖面圖，下圖為帶散熱片LED星狀封裝的2D剖面圖。
進行數值分析/實驗結果分析  
安排在MCPCB上的LED封裝通常採用鋁擠方式做為基底，一百一十根鰭片的鰭片型散熱片則透過導熱膠帶黏貼在星形MCPCB背面，封裝以1.2瓦驅動，焊接點的溫度TMetalSlug則透過安排在封裝散熱塊上的熱電偶加以測量(圖3)，測量只有在溫度到達穩定時才進行。

圖3　Moonstone LED封裝上的測量點
表2為模擬模型結果與測量數據的比較，視覺化模擬結果分別顯示在圖4，當模擬結果溫度高於測量溫度時，代表數值模型忽略部分的冷卻現象。
表2　模擬結果與測量數據的比較
項目
RJA (℃/W)
實際測得數據
RJA (℃/W)
模擬結果
誤差率 (%)
無散熱片的星形MCPCB包裝
44
47
6
搭配散熱片的星形MCPCB包裝
28
30
7

圖4　上圖為LED星形封裝的視覺化模擬結果，下圖為詳細散熱片模型的MCPCB LED封裝視覺化模擬結果。
TIM協助LED散熱角色吃重
TIM在幫助LED封裝時，將熱能傳導到電路板或散熱片上扮演相當重要的角色，在圖2中TIM 1位於LED封裝與基體間，使用不同的熱傳導值以及不同的BLT來進行模擬。  
由圖5中可看出，帶散熱片基體Moonstone封裝的介面厚度越厚，介面熱阻受到TIM 1材料熱傳導能力的影響就越明顯，圖中顯示，當介面厚度提高時，熱阻的增加會更容易受到熱傳導能力的影響，不過不同熱傳導值、介面厚度間的影響並不明顯。

圖5　TIM對熱阻RJA的影響。
兩個實體表面間的空氣間隙會降低熱傳導能力，TIM則可用來將兩個相鄰實體表面黏合並提高LED散熱塊(發熱源)與金屬核心PCB/FR4 PCB(散熱片)間的接觸面積，因此能夠降低這個連接面的溫度差。  
圖6中的RJA預估值為TIM 1接觸面品質對散熱效能影響的數值模擬研究結果，其中假設唯一的空隙點位於整體體積的中心區域。

圖6　TIM 1接觸面積百分比大小對RJA的影響。
RJA最高大約增加2%，同時只在接觸面積區域為85%時會發生，此代表夾在TIM 1內部的空隙可高達15%，而不會造成明顯的散熱效能影響，不過，由於模型的一些假設條件，這個預估結果的誤差率有可能達到20%，因此須進行其他實驗來驗證這個數據。  
表3列出TIM材料的特性以及可用性，這些TIM材料在市場相當普遍，各有其優劣勢。
表3　TIM的可用性
材料型式
典型組成
優點
缺點
BLT(mil)
熱傳導能力 (W/m-K)
導熱油膏
AIN1、Ag、ZnO、矽油
可重複使用
熱傳導能力較低
1.0～2.0
3～5
銀膠
環氧數脂, Ag
可應用在幾乎所有表面，過程簡單且處理容易
不可重覆使用
1.0～2.0
2～20
焊錫
純In、In/AG、Sn/Ag/Cu、In/Sn/Bi
熱傳導能力佳
需要高溫迴焊，不可重覆使用
2 .0～5.0
30～50
提高散熱效能方案紛出爐  
除了使用TIM材料來強化散熱效能外，尚有一些可用來改善散熱能力設計的方法，包括散熱片的尺寸、表面結構以及面向的安排；採用系統機殼氣流路徑設計加強自然對流冷卻；以及使用主動式冷卻系統，如風扇或導熱管來移除熱空氣，並協助自然對流冷卻。
這個研究展現出CFD的模型建立技術如何應用，以模擬帶散熱片的LED星形封裝，結果清楚地顯示，模擬模型可提供相當符合實際測量的結果，由此可知，CFD是協助設計工程師將高功率LED導入實際應用的良好工具，同時它的誤差百分比也在工業應用可接受的範圍內。  
此外，熱阻的增加較易受到接觸面積的影響，介面厚度增加帶來的TIM材質熱傳導能力則較不明顯，而TIM 1內部高達15%的空隙為可接受的範圍，同時不會造成明顯的散熱效能影響。  
(本文作者任職於安華高科技光電產品事業部)

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