COB光源溫度分布與測(cè)量

燈具制作商在設(shè)計(jì)COB光源燈具時(shí)，常用熱電偶測(cè)量光源發(fā)光面溫度，這種測(cè)量方法會(huì)使測(cè)量結(jié)果明顯偏高，繼而對(duì)COB光源的可靠性有所疑慮。

　　COB光源發(fā)光面溫度偏高，一方面是由光源具有高光通量密度輸出，熒光膠吸光轉(zhuǎn)成熱造成的；另一方面則是發(fā)光面的溫度不適合采用熱電偶進(jìn)行接觸測(cè)量。

　　一、引 言

　　COB(Chip-on-Board)封裝技術(shù)因其具有熱阻低、光通量密度高、色容差小、組裝工序少等優(yōu)勢(shì)，在業(yè)內(nèi)受到越來(lái)越多的關(guān)注。COB封裝技術(shù)已在IC集成電路中應(yīng)用多年，但對(duì)于廣大的燈具制造商和消費(fèi)者，LED光源采用COB封裝還是新穎的技術(shù)。

　　LED產(chǎn)品的可靠性與光源的溫度密切相關(guān)，由于COB光源采用多顆芯片高密度封裝，其溫度分布、測(cè)量與SMD光源有明顯不同。本文將介紹COB光源的溫度分布特點(diǎn)與其內(nèi)在機(jī)理，并對(duì)常用的溫度測(cè)量方法進(jìn)行比較。

　　二、COB光源的溫度分布

　　COB封裝就是將芯片直接貼裝到光源的基板上，使用時(shí)COB光源與熱沉直接相連，無(wú)需進(jìn)行SMT表面組裝。SMD封裝則先將芯片貼裝在支架上成為一個(gè)器件，使用時(shí)需將器件貼裝到基板上再與熱沉連接。兩者的熱阻結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，相對(duì)于SMD器件，COB熱阻比SMD在使用時(shí)少了支架層熱阻與焊料層熱阻，芯片的熱量更容易傳遞到熱沉。

圖1：熱阻結(jié)構(gòu)示意圖

　　1、常用溫度測(cè)量方法比較

　　常用的溫度傳感器類(lèi)型有熱電偶、熱電阻、紅外輻射器等。熱電偶是由兩條不同的金屬線組成，一端結(jié)合在一起，該連接點(diǎn)處的溫度變化會(huì)引起另外兩端之間的電壓變化，通過(guò)測(cè)量電壓即可反推出溫度。熱電阻利用材料的電阻隨材料的溫度變化的機(jī)理，通過(guò)間接測(cè)量電阻計(jì)算出溫度。

　　紅外傳感器通過(guò)測(cè)量材料發(fā)射出的輻射能量進(jìn)行溫度測(cè)量，三者的主要特征如表1所示。

表1：溫度測(cè)量方法對(duì)比

　　熱電偶成本低廉，在測(cè)溫領(lǐng)域中最為廣泛，探頭的體積越小，對(duì)溫度越靈敏，IEC60598要求熱電偶探頭涂上高反射材料減少光對(duì)溫度測(cè)量的影響。但如果將熱電偶直接貼在發(fā)光面上進(jìn)行測(cè)量，探頭吸光轉(zhuǎn)換成熱的效果十分明顯，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值偏高。

　　實(shí)際測(cè)量中有不少技術(shù)人員習(xí)慣用高溫膠帶進(jìn)行探頭固定，如圖2所示。這種粘接會(huì)加劇這種吸光轉(zhuǎn)熱效應(yīng)，導(dǎo)致測(cè)量值嚴(yán)重偏高，偏差可達(dá)50℃以上。

圖2：錯(cuò)誤的溫度測(cè)量方式

　　因此，為避免光對(duì)熱電偶的影響，建議使用紅外熱成像儀進(jìn)行溫度測(cè)量，紅外熱成像儀除具有響應(yīng)時(shí)間快、非接觸、無(wú)需斷電、快速掃描等優(yōu)點(diǎn)，還可以實(shí)時(shí)顯示待測(cè)物體的溫度分布。紅外測(cè)溫原理是基于斯特藩—玻耳茲曼定理，可用以下公式表示。

　　其中P(T)為輻射能量，σ為斯特藩—玻耳茲曼常量，ε為發(fā)射率，紅外測(cè)溫的精確與待測(cè)材料的發(fā)射率密切相關(guān)，由于COB光源表面的大部分材料發(fā)射率是未知的，為了精準(zhǔn)測(cè)溫，可將光源放置在恒溫加熱臺(tái)上，待光源加熱到一個(gè)已知溫度處于熱平衡狀態(tài)后，用紅外熱成像儀測(cè)量物體表面溫度，再調(diào)整材料的發(fā)射率，使其溫度顯示為正確溫度。

　　2、發(fā)光面溫度實(shí)測(cè)

　　為進(jìn)一步從實(shí)驗(yàn)上研究COB光源的熱分布，選用我司14年主推的一款定型產(chǎn)品作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，該款光源選用是的高反射率鏡面鋁為基板，這種封裝結(jié)構(gòu)一方面可大幅提高出光效率，另一方面封裝形式采用熱電分離的形式，沒(méi)有普通鋁基板的絕緣層作為阻攔，可進(jìn)一步降低熱阻和結(jié)溫，實(shí)現(xiàn)COB光源高光通量密度輸出。

圖3：待測(cè)鏡面鋁COB光源外觀

　　本次待測(cè)樣品除了熒光膠的配比不同，其他材料均相同，待測(cè)樣品的顏色分別為藍(lán)色、2700K和6500K。三款樣品的紅外熱成像結(jié)果參見(jiàn)圖3(a)、(b)和(c)。

圖4：樣品紅外熱成像圖

　　從圖中可以看到，藍(lán)色樣品的發(fā)光面最高溫度為93.6℃，2700K的發(fā)光面最高溫度為124.5℃、6500K的發(fā)光面最高溫度為107.8℃。溫度的差異可如下解釋?zhuān)坠馐怯尚酒a(chǎn)生的藍(lán)光激發(fā)熒光粉混成白光，在藍(lán)光激發(fā)熒光粉的過(guò)程中，熒光粉和硅膠會(huì)吸收一部分光轉(zhuǎn)化成熱，經(jīng)過(guò)測(cè)量可知藍(lán)色樣品的光電轉(zhuǎn)換效率為41.6%，2700K樣品為32.2%，6500K為38.5%，2700K樣品的光電轉(zhuǎn)換效率最低，主要原因是2700K樣品的熒光粉使用量多于6500K，在藍(lán)光激發(fā)熒光粉過(guò)程中有更多藍(lán)光轉(zhuǎn)換成熱量，相關(guān)參數(shù)參考表2。

表2：樣品光電參數(shù)

　　3、COB光源的熱分布機(jī)理

　　從上節(jié)的測(cè)溫實(shí)例中可知，COB光源的膠體溫度最高可達(dá)125℃，而目前大部分芯片能承受的最高結(jié)溫不能超過(guò)125℃，很多燈具廠商認(rèn)為發(fā)光面的溫度超過(guò)125℃，芯片的溫度應(yīng)該會(huì)更高，繼而擔(dān)憂(yōu)COB光源的可靠性。

　　針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心的研究人員Eveliina Juntunen等在IEEE雜志《Components， Packaging and Manufacturing Technology》2013年7月份的期刊上發(fā)表了一篇名為“Effect of Phosphor Encapsulant on the Thermal Resistance of a High-Power COB LED Module”專(zhuān)業(yè)文章，該文章對(duì)COB光源的溫度分布和內(nèi)在機(jī)理做了深入的研究。

圖5：COB光源的內(nèi)部溫度分布

　　圖5是該文根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合仿真得出的，從圖中可以看到，熒光膠的溫度可達(dá)186℃，但芯片溫度只有49.5℃。芯片的溫度較低是因?yàn)樾酒苯淤N裝到鋁基板上方，芯片的熱量可通過(guò)基板快速傳遞到散熱器上，因此COB光源的芯片溫度遠(yuǎn)低于芯片允許的最高結(jié)溫。

　　熒光膠的溫度高于芯片溫度是因?yàn)镃OB光源的芯片數(shù)量和排列密度高于比普通的SMD器件，通過(guò)熒光膠的光能量密度明顯高于SMD器件，熒光粉和硅膠都會(huì)吸收一部分的藍(lán)光轉(zhuǎn)換成熱，加上硅膠熱容與熱導(dǎo)率較小，導(dǎo)致熒光膠的溫度急劇上升，因此COB光源工作時(shí)熒光膠的溫度會(huì)遠(yuǎn)高于芯片溫度。

　　小結(jié)

　　COB光源在封裝上采用的是將芯片直接貼裝到基板上方，熱阻較SMD器件要小，有利于芯片散熱，實(shí)際工作中芯片的結(jié)溫遠(yuǎn)低于芯片允許的最高結(jié)溫。由于光源采用多芯片排布，可在較小發(fā)光面實(shí)現(xiàn)高流明密度輸出。

　　光源工作時(shí)，熒光粉和硅膠會(huì)吸收一部分光轉(zhuǎn)換成熱，高光通量密度輸出會(huì)導(dǎo)致發(fā)光面熱量較為集中，導(dǎo)致發(fā)光面的溫度較高。如果采用熱電偶直接測(cè)量發(fā)光面的溫度，熱電偶的探頭也會(huì)吸光轉(zhuǎn)換成熱，使溫度測(cè)量值偏高。

　　因此為有效研究COB光源表面的熱分布，建議選用紅外熱成像儀進(jìn)行非接觸測(cè)量。由于COB光源發(fā)光面的溫度高于普通SMD器件，因此在封裝工藝和材料選擇上較SMD器件嚴(yán)苛，尤其對(duì)熒光粉和硅膠的耐溫性提出了更高的要求。