燈具製作商在設計COB光源燈具時，常用熱電偶測量光源發光麵溫度

，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光源發光麵溫度偏高，一方麵是由光源具有高光通量密度輸出
，熒光膠吸光轉成熱造成的；另一方麵則是發光麵的溫度不適合采用熱電偶進行接觸測量。

 

 

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、組裝工序少等優勢，在業內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
，但對於廣大的燈具製造商和消費者，LED光源采用COB封裝還是新穎的技術。

 

LED產品的可靠性與光源的溫度密切相關，由於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在機理，並對常用的溫度測量方法進行比較。

 

 

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表麵組裝。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
，相對於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

 

 

常用的溫度傳感器類型有熱電偶、熱電阻、紅hong外wai輻fu射she器qi等deng。熱re電dian偶ou是shi由you兩liang條tiao不bu同tong的de金jin屬shu線xian組zu成cheng，一yi端duan結jie合he在zai一yi起qi，該gai連lian接jie點dian處chu的de溫wen度du變bian化hua會hui引yin起qi另ling外wai兩liang端duan之zhi間jian的de電dian壓ya變bian化hua，通tong過guo測ce量liang電dian壓ya即ji可ke反fan推tui出chu溫wen度du。熱re電dian阻zu利li用yong材cai料liao的de電dian阻zu隨sui材cai料liao的de溫wen度du變bian化hua的de機ji理li


，通tong過guo間jian接jie測ce量liang電dian阻zu計ji算suan出chu溫wen度du。

 

紅外傳感器通過測量材料發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(yao)求(qiu)熱(re)電(dian)偶(ou)探(tan)頭(tou)塗(tu)上(shang)高(gao)反(fan)射(she)材(cai)料(liao)減(jian)少(shao)光(guang)對(dui)溫(wen)度(du)測(ce)量(liang)的(de)影(ying)響(xiang)。但(dan)如(ru)果(guo)將(jiang)熱(re)電(dian)偶(ou)直(zhi)接(jie)貼(tie)在(zai)發(fa)光(guang)麵(mian)上(shang)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)，探(tan)頭(tou)吸(xi)光(guang)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)熱(re)的(de)效(xiao)果(guo)十(shi)分(fen)明(ming)顯(xian)，會(hui)導(dao)致(zhi)測(ce)量(liang)值(zhi)偏(pian)高(gao)。

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。紅外測溫原理是基於斯特藩—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為發射率，紅外測溫的精確與待測材料的發射率密切相關
，由於COB光guang源yuan表biao麵mian的de大da部bu分fen材cai料liao發fa射she率lv是shi未wei知zhi的de，為wei了le精jing準zhun測ce溫wen，可ke將jiang光guang源yuan放fang置zhi在zai恒heng溫wen加jia熱re台tai上shang，待dai光guang源yuan加jia熱re到dao一yi個ge已yi知zhi溫wen度du處chu於yu熱re平ping衡heng狀zhuang態tai後hou，用yong紅hong外wai熱re成cheng像xiang儀yi測ce量liang物wu體ti表biao麵mian溫wen度du，再zai調tiao整zheng材cai料liao的de發fa射she率lv，使shi其qi溫wen度du顯xian示shi為wei正zheng確que溫wen度du。

 

 

為進一步從實驗上研究COB光源的熱分布，選用我司14年(nian)主(zhu)推(tui)的(de)一(yi)款(kuan)定(ding)型(xing)產(chan)品(pin)作(zuo)為(wei)實(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu)對(dui)象(xiang)，該(gai)款(kuan)光(guang)源(yuan)選(xuan)用(yong)是(shi)的(de)高(gao)反(fan)射(she)率(lv)鏡(jing)麵(mian)鋁(lv)為(wei)基(ji)板(ban)，這(zhe)種(zhong)封(feng)裝(zhuang)結(jie)構(gou)一(yi)方(fang)麵(mian)可(ke)大(da)幅(fu)提(ti)高(gao)出(chu)光(guang)效(xiao)率(lv)，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)封(feng)裝(zhuang)形(xing)式(shi)采(cai)用(yong)熱(re)電(dian)分(fen)離(li)的(de)形(xing)式(shi)，沒(mei)有(you)普(pu)通(tong)鋁(lv)基(ji)板(ban)的(de)絕(jue)緣(yuan)層(ceng)作(zuo)為(wei)阻(zu)攔(lan)
，可(ke)進(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)熱(re)阻(zu)和(he)結(jie)溫(wen)，實(shi)現(xian)COB光源高光通量密度輸出。

圖3：待測鏡麵鋁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)。

圖4：樣品紅外熱成像圖

 

從圖中可以看到，藍色樣品的發光麵最高溫度為93.6℃
，2700K的發光麵最高溫度為124.5℃、6500K的發光麵最高溫度為107.8℃。溫(wen)度(du)的(de)差(cha)異(yi)可(ke)如(ru)下(xia)解(jie)釋(shi)，白(bai)光(guang)是(shi)由(you)芯(xin)片(pian)產(chan)生(sheng)的(de)藍(lan)光(guang)激(ji)發(fa)熒(ying)光(guang)粉(fen)混(hun)成(cheng)白(bai)光(guang)
，在(zai)藍(lan)光(guang)激(ji)發(fa)熒(ying)光(guang)粉(fen)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)，熒(ying)光(guang)粉(fen)和(he)矽(gui)膠(jiao)會(hui)吸(xi)收(shou)一(yi)部(bu)分(fen)光(guang)轉(zhuan)化(hua)成(cheng)熱(re)，經(jing)過(guo)測(ce)量(liang)可(ke)知(zhi)藍(lan)色(se)樣(yang)品(pin)的(de)光(guang)電(dian)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)為(wei)41.6%，2700K樣品為32.2%
，6500K為38.5%，2700K樣品的光電轉換效率最低，主要原因是2700K樣品的熒光粉使用量多於6500K，在藍光激發熒光粉過程中有更多藍光轉換成熱量
，相關參數參考表2。

表2：樣品光電參數

 

從上節的測溫實例中可知，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光麵的溫度超過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雜誌《Components， Packaging and Manufacturing Technology》2013年7月份的期刊上發表了一篇名為“Effect of Phosphor Encapsulant on the Thermal Resistance of a High-Power COB LED Module”專業文章，該文章對COB光源的溫度分布和內在機理做了深入的研究。

圖5：COB光源的內部溫度分布

 

圖5是該文根據試驗數據並結合仿真得出的，從圖中可以看到
，熒光膠的溫度可達186℃，但芯片溫度隻有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於芯片允許的最高結溫。

 

熒光膠的溫度高於芯片溫度是因為COB光源的芯片數量和排列密度高於比普通的SMD器件，通過熒光膠的光能量密度明顯高於SMD器件，熒光粉和矽膠都會吸收一部分的藍光轉換成熱，加上矽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於芯片溫度。

 

 

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SMDqijianyaoxiao，youliyuxinpiansanre，shijigongzuozhongxinpiandejiewenyuandiyuxinpianyunxudezuigaojiewen。youyuguangyuancaiyongduoxinpianpaibu，kezaijiaoxiaofaguangmianshixiangaoliumingmidushuchu。

 

光(guang)源(yuan)工(gong)作(zuo)時(shi)
，熒(ying)光(guang)粉(fen)和(he)矽(gui)膠(jiao)會(hui)吸(xi)收(shou)一(yi)部(bu)分(fen)光(guang)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)熱(re)
，高(gao)光(guang)通(tong)量(liang)密(mi)度(du)輸(shu)出(chu)會(hui)導(dao)致(zhi)發(fa)光(guang)麵(mian)熱(re)量(liang)較(jiao)為(wei)集(ji)中(zhong)

，導(dao)致(zhi)發(fa)光(guang)麵(mian)的(de)溫(wen)度(du)較(jiao)高(gao)。如(ru)果(guo)采(cai)用(yong)熱(re)電(dian)偶(ou)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)發(fa)光(guang)麵(mian)的(de)溫(wen)度(du)，熱(re)電(dian)偶(ou)的(de)探(tan)頭(tou)也(ye)會(hui)吸(xi)光(guang)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)熱(re)，使(shi)溫(wen)度(du)測(ce)量(liang)值(zhi)偏(pian)高(gao)。

 

因此為有效研究COB光源表麵的熱分布，建議選用紅外熱成像儀進行非接觸測量。由於COB光源發光麵的溫度高於普通SMD器件，因此在封裝工藝和材料選擇上較SMD器件嚴苛
，尤其對熒光粉和矽膠的耐溫性提出了更高的要求。