【導讀】燈具制作商在設計COB光源燈具時,常用熱電偶測量光源發(fā)光面溫度,這種測量方法會使測量結果明顯偏高,繼而對COB光源的可靠性有所疑慮。那么COB光源溫度分布與測量到底怎么做最好呢?
燈具制作商在設計COB光源燈具時,常用熱電偶測量光源發(fā)光面溫度,這種測量方法會使測量結果明顯偏高,繼而對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行接觸測量。
一、引 言
COB(Chip-on-Board)封裝技術因其具有熱阻低、光通量密度高、色容差小、組裝工序少等優(yōu)勢,在業(yè)內(nèi)受到越來越多的關注。COB封裝技術已在IC集成電路中應用多年,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。
LED產(chǎn)品的可靠性與光源的溫度密切相關,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。本文將介紹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。
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。兩者的熱阻結構示意圖如圖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:熱阻結構示意圖
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,會導致測量值偏高。
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實際測量中有不少技術人員習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,導致測量值嚴重偏高,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,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,選用我司14年主推的一款定型產(chǎn)品作為實驗研究對象,該款光源選用是的高反射率鏡面鋁為基板,這種封裝結構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
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果參見圖3(a)、(b)和(c)。
[page]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,相關參數(shù)參考表2。
表2:樣品光電參數(shù)
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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溫不能超過125℃,很多燈具廠商認為發(fā)光面的溫度超過125℃,芯片的溫度應該會更高,繼而擔憂COB光源的可靠性。
針對這個問題,芬蘭國家技術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:COB光源的內(nèi)部溫度分布
圖5是該文根據(jù)試驗數(shù)據(jù)并結合仿真得出的,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光源的芯片溫度遠低于芯片允許的最高結溫。
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率較小,導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高于芯片溫度。
小結
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溫遠低于芯片允許的最高結溫。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。
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致發(fā)光面熱量較為集中,導致發(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。
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器件嚴苛,尤其對熒光粉和硅膠的耐溫性提出了更高的要求。