深度剖析COB LED温度分布机理及测量方法

出处:雷士照明 发布于:2016-03-21 15:42:42

    LED产品的可靠性与光源的温度密切相关,由于 COB 光源采用多颗芯片高密度封装,其温度分布、测量与 SMD 光源有明显不同。下面从技术层面出发,介绍 COB 光源的温度分布特点与其内在机理,并对常用的温度测量方法进行比较。
    引言
    COB (Chip-on-Board) 封装技术因其具有热阻低、光通量密度高、色容差小、组装工序少等优势,在业内受到越来越多的关注。COB 封装技术已在 IC 集成电路中应用多年,但对于广大的灯具制造商和消费者,LED 光源采用 COB 封装还是新颖的技术。
    LED 产品的可靠性与光源的温度密切相关,由于 COB 光源采用多颗芯片高密度封装,其温度分布、测量与 SMD 光源有明显不同。
    COB 光源的温度分布
    COB 封装就是将芯片直接贴装到光源的基板上,使用时 COB 光源与热沉直接相连,无需进行 SMT 表面组装。SMD 封装则先将芯片贴装在支架上成为一个器件,使用时需将器件贴装到基板上再与热沉连接。
    两者的热阻结构示意图如图1所示,相对于 SMD 器件,COB 热阻比 SMD 在使用时少了支架层热阻与焊料层热阻,芯片的热量更容易传递到热沉。
   

    图1:热阻结构示意图


    1、常用温度测量方法比较
    常用的温度传感器类型有热电偶、热电阻、红外辐射器等。热电偶是由两条不同的金属线组成,一端结合在一起,该连接点处的温度变化会引起另外两端之间的电压变化,通过测量电压即可反推出温度。热电阻利用材料的电阻随材料的温度变化的机理,通过间接测量电阻计算出温度。
    红外传感器通过测量材料发射出的辐射能量进行温度测量,三者的主要特征如表1所示。
   

    表1:温度测量方法对比


    热电偶成本低廉,在测温领域中为广泛,探头的体积越小,对温度越灵敏,IEC60598 要求热电偶探头涂上高反射材料减少光对温度测量的影响。但如果将热电偶直接贴在发光面上进行测量,探头吸光转换成热的效果十分明显,会导致测量值偏高。
    实际测量中有不少技术人员习惯用高温胶带进行探头固定,如图2所示。这种粘接会加剧这种吸光转热效应,导致测量值严重偏高,偏差可达50℃以上。
   

    图2:错误的温度测量方式


    因此,为避免光对热电偶的影响,建议使用红外热成像仪进行温度测量,红外热成像仪除具有响应时间快、非接触、无需断电、快速扫描等优点,还可以实时显示待测物体的温度分布。红外测温原理是基于斯特藩—玻耳兹曼定理,可用以下公式表示。
   

    其中P(T)为辐射能量,σ 为斯特藩—玻耳兹曼常量,ε 为发射率,红外测温的与待测材料的发射率密切相关,由于 COB 光源表面的大部分材料发射率是未知的,为了精准测温,可将光源放置在恒温加热台上,待光源加热到一个已知温度处于热平衡状态后,用红外热成像仪测量物体表面温度,再调整材料的发射率,使其温度显示为正确温度。
    2、发光面温度实测
    为进一步从实验上研究 COB 光源的热分布,选用高反射率镜面铝为基板作为对象,这种封装结构一方面可大幅提高出光效率,另一方面封装形式采用热电分离的形式,没有普通铝基板的绝缘层作为阻拦,可进一步降低热阻和结温,实现 COB 光源高光通量密度输出。

    图3:待测镜面铝 COB 光源外观


    本次待测样品除了荧光胶的配比不同,其他材料均相同,待测样品的颜色分别为蓝色、2700K和6500K。三款样品的红外热成像结果参见图3(a)、(b)和(c)。
   

   

   

    图4:样品红外热成像图


    从图中可以看到,蓝色样品的发光面温度为93.6℃,2700K的发光面温度为124.5℃、6500K的发光面温度为107.8℃。
    温度的差异可如下解释,白光是由芯片产生的蓝光激发荧光粉混成白光,在蓝光激发荧光粉的过程中,荧光粉和硅胶会吸收一部分光转化成热,经过测量可知蓝色样品的光电转换效率为41.6%,2700K 样品为 32.2%,6500K 为38.5%,2700K 样品的光电转换效率,主要原因是 2700K 样品的荧光粉使用量多于 6500K,在蓝光激发荧光粉过程中有更多蓝光转换成热量,相关参数参考表2。
   

    表2:样品光电参数


    3、COB 光源的热分布机理
    从上节的测温实例中可知,COB 光源的胶体温度可达125℃,而目前大部分芯片能承受的结温不能超过125℃,很多灯具厂商认为发光面的温度超过125℃,芯片的温度应该会更高,继而担忧 COB 光源的可靠性。
    针对这个问题,芬兰国家技术研究中心的研究人员 Eveliina Juntunen 等在 IEEE 杂志《Components, Packaging and Manufacturing Technology》2013年7月份的期刊上发表了一篇名为“Effect of Phosphor Encapsulant on the Thermal Resistance of a High-Power COB LED Module”文章,该文章对 COB 光源的温度分布和内在机理做了深入的研究。
   


    图5是该文根据试验数据并结合仿真得出的,从图中可以看到,荧光胶的温度可达186℃,但芯片温度只有49.5℃。芯片的温度较低是因为芯片直接贴装到铝基板上方,芯片的热量可通过基板快速传递到散热器上,因此 COB 光源的芯片温度远低于芯片允许的结温。
    荧光胶的温度高于芯片温度是因为 COB 光源的芯片数量和排列密度高于比普通的 SMD 器件,通过荧光胶的光能量密度明显高于 SMD 器件,荧光粉和硅胶都会吸收一部分的蓝光转换成热,加上硅胶热容与热导率较小,导致荧光胶的温度急剧上升,因此 COB 光源工作时荧光胶的温度会远高于芯片温度。
    总结
    1、COB 光源在封装上采用的是将芯片直接贴装到基板上方,热阻较 SMD 器件要小,有利于芯片散热,实际工作中芯片的结温远低于芯片允许的结温。由于光源采用多芯片排布,可在较小发光面实现高流明密度输出。
    2、光源工作时,荧光粉和硅胶会吸收一部分光转换成热,高光通量密度输出会导致发光面热量较为集中,导致发光面的温度较高。如果采用热电偶直接测量发光面的温度,热电偶的探头也会吸光转换成热,使温度测量值偏高。
    3、因此为有效研究 COB 光源表面的热分布,建议选用红外热成像仪进行非接触测量。由于 COB 光源发光面的温度高于普通 SMD 器件,因此在封装工艺和材料选择上较 SMD 器件严苛,尤其对荧光粉和硅胶的耐温性提出了更高的要求。

关键词:LED测量

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