深度剖析COB LED溫度分布機(jī)理及測(cè)量方法

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，白光是由芯片產(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 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)?COB 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。

總結(jié)

1、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。

2、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。

3、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。