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COB光源温度分布与测量

发布时间:2014-09-15 浏览:1940次 发布:中国照明灯具网

       灯具制作商在设计COB光源灯具时,常用热电偶测量光源发光面温度,这种测量方法会使测量结果明显偏高,继而对COB光源的可靠性有所疑虑。

  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。

           1、常用温度测量方法比较

         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。

  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。

      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、2700K6500K。三款样品的红外热成像结果参见图3(a)(b)(c)。 

样品红外热成像图

 

样品光电参数

  3COB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 Technology20137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。

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。

责任编辑:ZY  来源:新世纪LED网 
 

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