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。下面從技術(shù)層面出發(fā)，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。

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。

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，選用高反射率鏡面鋁為基板作為對(duì)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(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[!--empirenews.page--]

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 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。