大功率远程荧光粉型白光LED散热封装设计

陈 华， 周兴林， 汤 文， 吕悦晶

(武汉科技大学 汽车与交通工程学院， 湖北 武汉 430223)



大功率远程荧光粉型白光LED散热封装设计

陈 华*， 周兴林， 汤 文， 吕悦晶

(武汉科技大学 汽车与交通工程学院， 湖北 武汉 430223)

针对大功率远程荧光粉型白光LED存在的散热问题，研究了其封装结构的散热设计方法。在分析现有远程荧光粉型白光LED封装结构及散热特点的基础上，提出将荧光粉层与芯片热隔离的同时开辟独立的荧光粉层散热路径的热设计方法。仿真分析结果表明：新的设计能够在不增加灯珠径向尺寸的同时改善荧光粉层的散热能力。在相同边界条件下，改进设计后的荧光粉层温度较改进前降低了10.7 ℃，芯片温度降低了0.55 ℃。在芯片基座上设置热隔离槽对芯片和荧光粉层温度的影响可以忽略。为了达到最优的芯片和荧光粉层温度配置，对荧光粉层与芯片之间封装胶层厚度进行优化是必要的。新的封装方法将芯片和荧光粉层的散热问题相互独立出来，既避免了二者的相互加热问题，又增加了灯珠光学设计的自由度。

LED灯； 荧光粉； 散热设计； 封装

1 引 言

LED由于其体积小、寿命长、绿色节能等优点成为继白炽灯、荧光灯和HID灯之后的第四代照明光源[1]。荧光粉转换型白光LED具有封装工艺简单、体积小、成本低的优点，是目前照明市场的主流产品[2]。荧光转换型白光LED的发光原理是在LED芯片表面涂覆一层荧光粉混合物，荧光粉在芯片发出的光的激发下产生其他颜色的光，与芯片发出的光混合而产生白光。虽然LED灯具有节能高效的优点，但是LED芯片的光转换效率在20%～30%左右，剩余能量转换为内能导致芯片温度升高。温度过高会加剧灯具光衰，从而影响灯具寿命。研究表明，温度不仅影响LED芯片的寿命，也会引发荧光粉的热失效问题，甚至当温度高于某一阈值时，荧光粉出现不发光现象，亦即“热猝灭”现象[3-5]。荧光粉的温升主要来自于荧光粉光吸收的自热作用和LED芯片发热的互热作用[6-8]。实测表明，在工作状态下，荧光粉温度较芯片温度高[8]。随着白光LED的大量商业化应用，LED芯片的功率也逐步升高到了瓦级以上，LED芯片散热技术成为了制约大功率LED灯应用的关键。

传统的荧光转换型LED在封装时直接将荧光粉混合物涂覆于LED芯片上，在荧光粉混合物上再安装透镜和填充树脂以排空透镜和芯片之间的空气，在LED芯片的安装基板的另一侧安装散热器。由于从树脂-透镜到环境的热传导路径的热阻过大，荧光粉产生的热量主要通过芯片-基板-散热器的热传导路径传出。为了减少芯片温升对荧光粉层的加热作用、提高白光LED的发光质量和发光效率，提出了远程荧光粉技术[9]。所谓远程荧光粉技术，即将荧光粉与LED芯片之间填充一定厚度的封装胶，封装胶不仅起到隔离荧光粉与芯片之间的热传导的作用，而且能够调节荧光粉与芯片的距离，增加了芯片封装设计的自由度，从而提高灯具的出光效率[10]。

远程荧光粉技术是白光LED发展过程中的一大技术创新[9]。虽然远程荧光粉技术在一定程度上隔离了芯片发热对荧光粉的加热作用，但是却忽略了荧光粉的光致发热效应导致的吸热[11]。由于荧光粉到散热器的热传导路径更长，荧光粉的温度比芯片温度更高，过高的温度将导致荧光粉自身转化效率降低，甚至引起硅胶碳化，导致荧光粉失效[12]。对远程荧光粉LED进行针对性的散热设计具有非常重要的意义。车振、胡润等[8,13-14]从荧光粉浓度、颗粒形状以及芯片表面粗化等角度研究了如何提高荧光粉层的光热转化效率，从而减少荧光粉自发热量。Perera[15]设计了在荧光粉层周围加热沉，并分别对热沉采用主动和被动散热的方法来降低荧光粉层温升，其优点是可以大幅降低荧光粉层温度，缺点表现在会增大灯具封装尺寸，同时由于散热器的遮挡，灯具的出光效率会受到影响。Huang等[16-17]研究了照明过程中荧光粉层所产生热量的理论模型，证明要降低荧光粉层温度，开辟针对于荧光粉层的新的散热路径是必要的。

现有的大部分LED封装的热设计集中在提高LED封装外部的散热能力，包括散热器的主动散热和被动散热设计[18]，关于LED封装内部的热设计，尤其是荧光粉硅胶混合物的散热设计还很少[8]。本文针对远程荧光粉型LED在散热设计中存在的不足，展开荧光粉层散热设计研究。在分析现有远程荧光粉型白光LED封装结构及散热特点的基础上，提出在封装结构中将荧光粉层与芯片热隔离的同时开辟独立的荧光粉层散热路径的热设计方法。仿真分析结果表明，在封装设计中增加荧光粉层与芯片之间的距离、在芯片基座上设置专门用于荧光粉层的热传导通道，能够有效隔离荧光粉层与芯片之间的热传导，同时能够在不增加灯珠径向尺寸的同时改善荧光粉层的散热效果。新的封装方法将芯片和荧光粉层的散热问题相互独立出来，既避免了二者的相互加热问题，又增大了灯珠光学设计的自由度。

2 远程荧光粉型白光LED结构特点与散热路径分析

2.1结构特点

LED芯片发热是由芯片的电光转换效率决定的，约有70%～80%的电输入功率被转换成热能。荧光粉层的发热主要来自于荧光粉的光致发热效应和荧光粉对芯片发出的光的吸收。其中光致发热为主要因素，约有30%到达荧光粉层的光能被吸收转化为热能。图1为远程荧光粉型封装方式的白光LED的基本构型，图2为其散热路径分析。

图1 远程荧光粉型白光LED封装结构

图2 荧光粉层和芯片的散热路径Fig.2 Heat transfer paths of the remote phosphor layer and the chip

从图2可以看出，芯片的主要散热路径是通过基座、热界面材料的热传导作用将热量传导至散热器散出；荧光粉的主要散热路径包括向上通过透镜向环境的热传导和向下通过LED芯片到达散热器的热传导两个途径。由于封装硅胶和硅树脂透镜的热传导系数很低，通常认为该路径的热传导作用可以忽略，即荧光粉的热量主要通过LED芯片从散热器散出，这就不可避免地产生了芯片和荧光粉的互热作用。由于透镜、硅树脂对红外热辐射具有透射作用，同时它们和芯片的温度不高，因此热辐射的影响基本可以忽略不计。

2.2传统封装LED散热特点仿真分析

图3是针对上述远程荧光粉型白光LED的封装结构进行的仿真分析。假设芯片的总输入功率为1 W，芯片出光效率为30%，即芯片的发热量为0.7 W。取荧光粉的光转换效率为70%，即有0.09 W光能被荧光粉吸收变为内能。封装结构所采用的材料及其热传导系数见表1。分析时取环境温度为30 ℃，忽略热辐射的影响，灯珠的透镜上表面与环境之间取自然对流换热系数5 W/(m2·℃)。芯片与基座之间的绝缘层为绝缘性的导热胶，其厚度L为0.02 mm，热传导系数λ为1.2 W/(m·℃)，芯片尺寸为1 mm(长)×1 mm(宽)× 0.15 mm(厚)，引入的热阻为R=L/(Aλ)=16.7 ℃/W。基座与散热器间也有0.02 mm厚的导热胶，其等效热阻均按上述算法计算。

图3 传统封装LED散热特点仿真分析。(a)仿真分析远程荧光粉LED结构示意图；(b)整体温度分布；(c)芯片和荧光粉层温度分布。

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 热仿真分析所用到的材料属性

仿真分析结果表明，芯片最高温度为69.07 ℃，荧光粉层最高温度为73.57 ℃。由于散热路径较长，荧光粉层的温度较芯片温度要高；且由于大部分热量是从芯片向散热器散出，荧光粉层温度呈距芯片近的位置低、距荧光粉远的位置高的分布趋势。这也表明由于荧光粉层散热不良，对芯片形成了加热作用。为了降低荧光粉层温度，设计针对于荧光粉层的新的散热路径是必要的。

3 荧光粉层散热设计

3.1荧光粉层散热设计方法

针对荧光粉层的散热设计包含两个方面：一是增加荧光粉层与芯片之间的导热热阻，以减小芯片与荧光粉层的相互加热作用；二是为荧光粉层设计专门的散热路径，有效散出荧光粉层热量。

3.1.1 芯片和荧光粉层热隔离设计

芯片和荧光粉层的热隔离主要通过控制二者之间填充的硅胶厚度来实现。通常情况下，荧光粉层和芯片之间的硅胶是球面的。假设硅胶的内外层球面同心，则其导热的热阻可以描述为

(1)

其中λ为材料的热传导系数，r1、r2分别为球面硅胶的内径和外径。由于材料的热传导系数是确定的，硅胶的最小内径也是确定的，所以若想增大热阻，则必须增大硅胶层的外径，即增加硅胶层的厚度。假设30 ℃/W的热阻足够，在本案例中r1=3.8 mm，λ=0.18W/(m·℃)，则r2=4.94mm。理论计算考虑的是简化条件下的热隔离设计，实际设计的合理性将通过仿真分析进行验证。如果仿真分析表明隔离效果不佳，则可增加热阻，修改模型设计参数，再进行复算，直到合适为止。

3.1.2 荧光粉层的散热路径设计

由于荧光粉层通过透镜的热传导作用散发到环境中的路径热阻较大，同时由于透镜形状是根据光效最大化设计的，无法因为散热而更改设计，因此荧光粉层的散热路径依然是向下传导，最终从散热器散失。图4是改进后的封装结构。

图4 改进后的LED封装结构

3.2散热设计有效性的仿真验证

改进后的封装设计增大了荧光粉层与芯片之间的封装胶厚度，封装胶的最大厚度从改进前的1.1mm变为2.0mm。另外，在基座上增加了荧光粉层的散热面。由于芯片和荧光粉层共用散热基座，为了减少二者的相互影响，在基座上增加了热隔离凹槽。图5为改进设计后的仿真分析结果。

仿真分析结果表明，改进封装设计后，芯片最高温度为68.52 ℃，荧光粉层最高温度为62.87 ℃。芯片温度较改进设计前降低了0.55 ℃；荧光粉温度较改进设计前降低了10.7 ℃，且温度呈内径高外径低的趋势，表明荧光粉层与芯片实现了良好的热隔离，荧光粉层热量主要从基座导出。改进封装设计后，芯片和荧光粉层的散热通道基本实现了相互独立，从而将芯片和荧光粉层的散热问题分离开来，既避免了二者的相互加热问题，也增大了灯珠光学设计的自由度。

图5 改进封装后LED散热特点仿真分析。(a)整体温度分布；(b)芯片和荧光粉层温度分布。

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

3.3散热设计优化

在改进封装设计中，有3个散热环节发生了改变，即芯片和荧光粉层间的封装硅胶厚度增加、荧光粉到基座的散热通道设计以及基座上的热隔离凹槽设计。为了获得最优的设计结果，对热隔离凹槽及芯片和荧光粉层间的封装硅胶厚度进行优化是必要的。

3.3.1 热隔离凹槽的必要性分析

热隔离凹槽设计会增加基座制造工艺。考虑到铜基座的热传导系数很高，热隔离凹槽是否能够有效地起到隔热的作用需要通过仿真验证。我们将改进后设计的模型去掉热隔离凹槽后进行了热仿真分析，图6是仿真分析结果的半剖切图。

图6 去掉热隔离凹槽的LED散热仿真分析

Fig.6ThermalsimulationanalysisoftheredesignedpackagingLEDwithoutthethermalinsulationgroove

仿真分析结果表明，去掉凹槽后，芯片最高温度为68.08 ℃，荧光粉层最高温度为61.58 ℃。芯片和荧光粉温度都略有下降，表明由于铜的热传导系数很高，热隔离凹槽并没有起到隔热的作用，反而因为材料的去除减小了横截面积，从而导致了芯片和荧光粉层的温升。

3.3.2 芯片和荧光粉层间封装胶厚度优化分析

芯片和荧光粉层间封装胶的厚度优化分析是基于去除热隔离凹槽后的模型进行的。分析时，只改变封装胶层的厚度，荧光粉层厚度和灯珠的外形尺寸不发生变化。封装胶层厚度从开始的2.0mm按0.3mm递减，采用仿真分析的办法观察芯片和荧光粉层温度的变化。仿真分析结果如图7所示。

图7 芯片和荧光粉层温度随封装胶层厚度的变化

Fig.7Changeofthetemperaturesofthechipandthephosphorlayerwiththethicknessofthethermalinsulationglue

从图7可以看出，随着封装胶层厚度的减小，芯片和荧光粉层的温度都逐渐升高。芯片对荧光粉层形成了加热作用。虽然芯片的温度变化较小，但是芯片所传递过去的微弱热量既导致了荧光粉层较大的温升，反过来又影响了芯片的温度。这主要是由荧光粉层较低的热传导系数决定的。仿真分析结果表明，在相同的边界条件下，为了达到最优的芯片和荧光粉层温度配置，对二者之间的封装胶层厚度进行优化是必要的。实际应用时，需要结合光学设计的需求进行改进。

4 结 论

本文针对远程荧光粉型大功率白光LED存在的封装散热问题，在分析现有荧光粉型白光LED封装结构及散热特点的基础上，提出在封装结构中将荧光粉层与芯片热隔离的同时开辟针对于荧光粉层的散热路径的热设计方法，通过仿真分析验证了热设计的有效性。对新的封装结构进行了散热优化设计。仿真分析结果表明，在封装结构中增加荧光粉层与基座之间的导热路径和控制芯片与荧光粉层间封装胶层的厚度，能够有效降低荧光粉层温度，同时能够隔离荧光粉层与芯片之间的热传导，降低二者之间的相互热影响。新的设计在不增加灯珠径向尺寸的同时改善了荧光粉层的散热效果，也使得芯片和荧光粉层的散热问题相互独立出来，增大了灯珠光学设计的自由度。本文的研究过程和结果对于LED灯珠的封装结构设计具有一定的借鉴意义。

[1] LUO X B, XING F, FEI C,etal.. Phosphor self-heating in phosphor converted light emitting diode packaging [J].Int.J.HeatMassTransfer, 2013, 58(1-2):276-281.

[2] LI B C, ZHANG D W, HUANG Y S,etal.. A new structure of multi-layer phosphor package of white LED with high efficiency [J].Chin.Opt.Lett., 2010, 8(2):221-223.

[3] YAN B H, TRAN N T, YOU J P,etal.. Can junction temperature alone characterize thermal performance of white LED emitters [J].PhotonTechnol.Lett., 2011, 23(9):555-557.

[4] LAGO M D, MENEGHINI M, TRIBELLIN N,etal.. Phosphors for LED-based light sources: thermal properties and reliability issues [J].Microelectron.Reliab., 2012, 52:2164-2167.

[5] TRAN N T, SHI F G. Studies of phosphor concentration and thickness for phosphor-based white light-emitting-diodes [J].J.LightwaveTechnol., 2008, 26(21):3556-3559.

[6] 殷录桥, 翁菲, 宋朋, 等. LED芯片与YAG荧光粉的相互热作用 [J]. 光学学报, 2014, 34(3):0323002-1-7. YIN L Q, WENG F, SONG P,etal.. Thermal interact effects of LED chip with YAG phosphor layer [J].ActaOpt.Sinica, 2014, 34(3):0323002-1-7. (in Chinese)

[7] LUO X B, FU X F, CHEN F,etal.. Phosphor self-heating in phosphor converted light emitting diode packaging [J].Int.J.HeatMassTransfer, 2013, 58:276-281.

[8] 胡润. LED封装中荧光粉光热耦合研究及工艺应用 [D]. 武汉： 华中科技大学， 2015. HU R.Optical-thermalCoupledStudyonPhosphorsinLEDPackageswithProcessApplications[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2015. (in Chinese)

[9] 周青超, 柏泽龙, 鲁路, 等. 白光LED远程荧光粉技术研究进展与展望 [J]. 中国光学, 2015, 8(3):313-328. ZHOU Q CH, BAI Z L, LU L, et al.. Remote phosphor technology for white LED applications: advances and prospects [J].Chin.Opt., 2015, 8(3):313-328. (in Chinese)

[10] 肖华, 吕毅军, 朱丽虹, 等. 远程荧光体白光发光二极管的发光性能 [J]. 光子学报, 2014, 43(5):0523003. XIAO H, LV Y J, ZHU L H,etal.. Luminous performance of remote phosphor white LED [J].ActaPhoton.Sinica, 2014, 43(5):0523003. (in Chinese)

[11] HWANG J H, KIM Y D, KIM J W,etal.. Study on the effect of the relative position of the phosphor layer in the LED package on the high power LED lifetime [J].Phys.Stat.Sol.(c)， 2010, 7:2157-2161.

[12] MENEGHINI M, LAGO M D, TRIVELLIN N,etal.. Thermally activated degradation of remote phosphors for application in LED lighting [J].IEEETrans.Dev.Mater.Reliab., 2013, 13(1):316-319.

[13] 车振, 张军, 余新宇, 等. 白光LED荧光粉层的光学设计及研究 [J]. 发光学报， 2015, 36(10):1220-1227. CHE Z, ZHANG J, YU X Y,etal.. Optical design and research on phosphors for white LED [J].Chin.J.Lumin, 2015, 36(10):1220-1227. (in Chinese)

[14] 胡金勇, 黄华茂, 王洪, 等. ITO表面粗化提高GaN基LED芯片出光效率 [J]. 发光学报, 2014, 35(5):613-617. HU J Y, HUANG H M, WANG H,etal.. Light-output enhancement of GaN-based light-emitting diodes with surface textured ITO [J].Chin.J.Lumin., 2014, 35(5):613-617. (in Chinese)

[15] PERERA I U, NARENDRAN N. Understanding heat dissipation of a remote phosphor layer in an LED system [C].IEEEIntersocietyConferenceonThermalandThermomechanicalPhenomenainElectronicSystems，Orlando,USA, 2014:186-192.

[16] HUANG M, YANG L. Heat generation by the phosphor layer of high-power white LED emitters [J].IEEEPhoton.Technol.Lett., 2013, 25(14):1316-1320.

[17] PERERA I U, NARENDRAN N. Mathematical model to analyze phosphor layer heat transfer of an LED system [J].SPIE, 2014, 9190:91900R-1-7.

[18] 杨呈祥, 李欣, 孔亚飞, 等. 纳米银焊膏封装大功率COB LED模块的性能研究 [J]. 发光学报, 2016, 37(1):94-99. YANG C X, LI X, KONG Y F,etal.. High power COB LED modules attached by nanosilver paste [J].Chin.J.Lumin., 2016, 37(1):94-99. (in Chinese)

陈华(1983-)，女，湖北十堰人，博士，讲师，2011年于中科院长春光机所获得博士学位，主要从事LED车前照灯散热和道路检测技术的研究。

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

湖北省自然科学基金(2015CFB220)；湖北省科技支撑计划(2014BEC055)；湖北省自然科学基金重点项目(2015CFA064)； 国家自然科学基金(51578430)； 武汉科技大学青年科技骨干培育计划资助项目 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