【科普】COB光源温度分布与测量

【科普】COB光源温度分布与测量

COB光源发光面温度偏高，一方面是由光源具有高光通量密度输出，荧光胶吸光转成热造成的；另一方面则是发光面的温度不适合采用热电偶进行接触测量。

一、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。本文将介绍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。

二、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，在测温领域中最为广泛，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，红外测温的精确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，选用我司14年主推的一款定型产品作为实验研究对象，该款光源选用是的高反射率镜面铝为基板，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，蓝色样品的发光面最高温度为93.6℃，2700K的发光面最高温度为124.5℃、6500K的发光面最高温度为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最低，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光源的胶体温度最高可达125℃，而目前大部分芯片能承受的最高结温不能超过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”专业文章，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：COB光源的内部温度分布

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最高结温。

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。

小结

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最高结温。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。

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。

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。