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、測量與 SMD 光源有明顯不同。下面從技術(shù)層面出發(fā)，介紹 COB 光源的溫度分布特點與其內(nèi)在機理，并對常用的溫度測量方法進行比較。

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，在業(yè)內(nèi)受到越來越多的關(guān)注。COB 封裝技術(shù)已在 IC 集成電路中應(yīng)用多年，但對于廣大的燈具制造商和消費者，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、測量與 SMD 光源有明顯不同。

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 COB 光源與熱沉直接相連，無需進行 SMT 表面組裝。SMD 封裝則先將芯片貼裝在支架上成為一個器件，使用時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，相對于 SMD 器件，COB 熱阻比 SMD 在使用時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、常用溫度測量方法比較

常用的溫度傳感器類型有熱電偶、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，該連接點處的溫度變化會引起另外兩端之間的電壓變化，通過測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理，通過間接測量電阻計算出溫度。

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

表1：溫度測量方法對比

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

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

圖2：錯誤的溫度測量方式

因此，為避免光對熱電偶的影響，建議使用紅外熱成像儀進行溫度測量，紅外熱成像儀除具有響應(yīng)時間快、非接觸、無需斷電、快速掃描等優(yōu)點，還可以實時顯示待測物體的溫度分布。紅外測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，紅外測溫的精確與待測材料的發(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)測溫，可將光源放置在恒溫加熱臺上，待光源加熱到一個已知溫度處于熱平衡狀態(tài)后，用紅外熱成像儀測量物體表面溫度，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)光面溫度實測

為進一步從實驗上研究 COB 光源的熱分布，選用高反射率鏡面鋁為基板作為對象，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，沒有普通鋁基板的絕緣層作為阻攔，可進一步降低熱阻和結(jié)溫，實現(xiàn) COB 光源高光通量密度輸出。

圖3：待測鏡面鋁 COB 光源外觀[!--empirenews.page--]

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

圖4：樣品紅外熱成像圖

從圖中可以看到，藍色樣品的發(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)生的藍光激發(fā)熒光粉混成白光，在藍光激發(fā)熒光粉的過程中，熒光粉和硅膠會吸收一部分光轉(zhuǎn)化成熱，經(jīng)過測量可知藍色樣品的光電轉(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，在藍光激發(fā)熒光粉過程中有更多藍光轉(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 光源的熱分布機理

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

針對這個問題，芬蘭國家技術(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 COB 光源的溫度分布和內(nèi)在機理做了深入的研究。

圖5是該文根據(jù)試驗數(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186℃，但芯片溫度只有49.5℃。芯片的溫度較低是因為芯片直接貼裝到鋁基板上方，芯片的熱量可通過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為 COB 光源的芯片數(shù)量和排列密度高于比普通的 SMD 器件，通過熒光膠的光能量密度明顯高于 SMD 器件，熒光粉和硅膠都會吸收一部分的藍光轉(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 光源工作時熒光膠的溫度會遠(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)光面實現(xiàn)高流明密度輸出。

2、光源工作時，熒光粉和硅膠會吸收一部分光轉(zhuǎn)換成熱，高光通量密度輸出會導(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量發(fā)光面的溫度，熱電偶的探頭也會吸光轉(zhuǎn)換成熱，使溫度測量值偏高。

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行非接觸測量。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，尤其對熒光粉和硅膠的耐溫性提出了更高的要求。