基于COB技術(shù)的LED散熱性能分析

祁姝琪，丁申冬，秦會(huì)斌，鄭 鵬，于 陽(yáng)，俞 棟

（1.杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所，杭州 310018；2.浙江古越龍山電子科技發(fā)展有限公司，浙江 紹興 312000）

1 引言

LED器件在工作中的功率損耗通常以熱能耗散的形式表現(xiàn)，任何具有電阻的部分都成為一個(gè)內(nèi)部熱源，導(dǎo)致熱密度急劇上升，于是器件本身溫度也隨之上升，同時(shí)周?chē)沫h(huán)境溫度也會(huì)影響內(nèi)部溫度，從而影響到LED的可靠性、性能和壽命。研究表明，隨著溫度的增長(zhǎng)，芯片失效率有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因此對(duì)LED封裝時(shí)進(jìn)行可靠的熱設(shè)計(jì)，實(shí)施有效的熱控制措施是提高其可靠性的關(guān)鍵。在電子行業(yè)，器件環(huán)境溫度每升高10℃時(shí)，往往其失效率會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，這就是所謂的“10℃法則”。當(dāng)前采用的方法大多是從電路板的材料考慮，選用一些熱導(dǎo)率高、穩(wěn)定的材料，如銅、鋁、陶瓷等。但僅僅通過(guò)電路板來(lái)改善散熱問(wèn)題是不夠的，還要通過(guò)其他熱設(shè)計(jì)的方法來(lái)提高LED的散熱性能。

本文重點(diǎn)從封裝角度對(duì)LED的散熱性能進(jìn)行熱分析，并進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。采用COB技術(shù)，直接將LED芯片封裝在鋁基板上，縮短了熱通道和熱傳導(dǎo)的距離，從而降低了LED的結(jié)溫，設(shè)計(jì)出一種基于COB技術(shù)的LED。分析其等效熱阻網(wǎng)絡(luò)，比較不同封裝方法對(duì)整個(gè)LED器件散熱性能的影響，并進(jìn)行紅外熱像圖分析。

2 散熱技術(shù)

任何電子器件及電路都不可避免地伴隨有熱量的產(chǎn)生，而要提高其可靠性以及性能，則必須使熱量達(dá)到最小程度，采用適當(dāng)?shù)纳峒夹g(shù)就成為了關(guān)鍵。

物質(zhì)本身或當(dāng)物質(zhì)與物質(zhì)接觸時(shí)，能量的傳遞就被稱為熱傳導(dǎo)，這是最普遍的一種熱傳遞方式，由能量較低的粒子和能量較高的粒子直接接觸碰撞來(lái)傳遞能量。相對(duì)而言，熱傳導(dǎo)方式局限于固體和液體，因?yàn)闅怏w的分子構(gòu)成并不是很緊密，它們之間能量的傳遞被稱為熱擴(kuò)散。

熱傳導(dǎo)的基本公式為：

其中Q代表為熱量，也就是熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生或傳導(dǎo)的熱量；K為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，熱傳導(dǎo)系數(shù)類(lèi)似比熱，但又與比熱有一些差別，熱傳導(dǎo)系數(shù)與比熱成反比，熱傳導(dǎo)系數(shù)越高，其比熱的數(shù)值也就越低。舉例說(shuō)明，純銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)為396.4，而其比熱則為0.39；公式中A代表傳熱的面積（或是兩物體的接觸面積），ΔT代表兩端的溫度差；ΔL則是兩端的距離。因此，從公式中我們就可以發(fā)現(xiàn)，熱量傳遞的大小同熱傳導(dǎo)系數(shù)、傳熱面積成正比，同距離成反比。熱傳遞系數(shù)越高、熱傳遞面積越大，傳輸?shù)木嚯x越短，那么熱傳導(dǎo)的能量就越高，也就越容易帶走熱量。

3 LED的散熱性能和封裝

LED作為一代新光源，逐步應(yīng)用到普通照明中來(lái)，其最基本的光學(xué)要求即光通量，目前提高LED光通量有兩種方式，分別為增加芯片亮度以及多顆密集排列等方式，這些方法都需輸入更高功率的能量，而輸入LED的能量，只有少部分會(huì)轉(zhuǎn)換成光源，大部分都轉(zhuǎn)成熱能，在單顆封裝內(nèi)送入倍增的電流，發(fā)熱自然也會(huì)倍增，因此在如此小的散熱面積下，散熱問(wèn)題會(huì)逐漸惡化。

與傳統(tǒng)光源一樣，LED在工作期間也會(huì)產(chǎn)生熱量，其多少取決于整體的發(fā)光效率。在外加電能量作用下，電子和空穴的輻射復(fù)合發(fā)生電致發(fā)光，在PN結(jié)附近輻射出來(lái)的光還需經(jīng)過(guò)LED芯片本身的半導(dǎo)體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達(dá)外界。綜合電流注入效率、輻射發(fā)光量子效率、晶片外部出光效率等，最終大概只有30%～40%的輸入電能轉(zhuǎn)化為光能，其余60%～70%的能量主要以非輻射復(fù)合發(fā)生的點(diǎn)陣振動(dòng)的形式轉(zhuǎn)化成熱能。而LED芯片溫度的升高，則會(huì)增強(qiáng)非輻射復(fù)合，進(jìn)一步削弱發(fā)光效率，并且縮短壽命。LED燈所采用的散熱技術(shù)必須能夠有效降低發(fā)光二級(jí)管PN結(jié)到環(huán)境的熱阻，才能盡可能降低LED的PN結(jié)溫度來(lái)提高LED燈的壽命。

圖1所示為在工作電流恒定的條件下，Lumidleds 1W LED的光衰與結(jié)溫的關(guān)系曲線，可見(jiàn)結(jié)溫越高，光通量衰減越快，壽命也就越短。

圖1 Lumidleds 1W LED的光衰與結(jié)溫關(guān)系曲線

3.1 LED的散熱

LED的散熱性能參數(shù)主要是指結(jié)溫和熱阻。LED的結(jié)溫是指PN結(jié)的溫度，LED的熱阻一般是指PN結(jié)到外殼表面之間的熱阻。結(jié)溫是直接影響LED工作性能的參數(shù)，熱阻則是表示LED散熱性能好壞的參數(shù)。熱阻越小，LED的熱量越容易從PN結(jié)傳導(dǎo)出來(lái)，LED的結(jié)溫越低，LED的持續(xù)光效越高，壽命也越長(zhǎng)。

當(dāng)LED的PN結(jié)溫度升高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致LED的正向?qū)▔航禍p小，意味著一旦回路中的LED出現(xiàn)過(guò)度溫升，PN結(jié)對(duì)此的響應(yīng)會(huì)使LED的溫度進(jìn)一步升高，如果LED芯片的溫度超過(guò)一定值，整個(gè)LED器件就會(huì)損壞，這一溫度值即臨界溫度。不同封裝材料的LED的臨界溫度不同，即使是同一材料，封裝工藝等因素也會(huì)影響臨界溫度。與傳統(tǒng)光源不同的是，印制電路板既是LED的供電載體，同時(shí)也是散熱載體。因此，印制電路板的散熱設(shè)計(jì)（包括焊盤(pán)設(shè)置、布線和鍍層等）對(duì)LED的散熱性能尤為重要。

3.2 封裝工藝對(duì)散熱性能的影響

目前市場(chǎng)上對(duì)LED芯片的封裝以單顆封裝為主，單顆封裝如僅應(yīng)用在1～4顆LED散光燈，散光燈點(diǎn)亮?xí)r間短暫，故熱累積現(xiàn)象不明顯。如應(yīng)用在日光燈上，要緊密排列并較長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)亮，因此在有限的散熱空間內(nèi)難以及時(shí)地將這些熱排除于外。

LED芯片的特點(diǎn)是在極小的體積內(nèi)產(chǎn)生極高的熱量。而LED本身的熱容量很小，所以必須以最快的速度把這些熱量傳導(dǎo)出去，否則就會(huì)產(chǎn)生很高的結(jié)溫。

雖然LED芯片架構(gòu)與原物料是影響LED熱阻大小的因素之一，減少LED本身的熱阻是先期條件，但畢竟對(duì)改善散熱能力影響有限，所以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)腖ED封裝工藝技術(shù)成為對(duì)LED進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)的主要方法。表1列出的是市場(chǎng)上常見(jiàn)的幾種不同封裝工藝LED的熱阻。

表1 不同封裝LED的熱阻

可見(jiàn)采用COB技術(shù)封裝的LED相比于其他封裝工藝熱阻最小。

3.3 材料對(duì)散熱性能的影響

封裝工藝確定后，通過(guò)選取不同的材料進(jìn)一步降低LED器件的熱阻，提高LED的散熱性能。目前國(guó)內(nèi)外常針對(duì)基板材料、粘結(jié)材料和封裝材料進(jìn)行擇優(yōu)選擇。

不同導(dǎo)熱系數(shù)的基板材料，如銅、鋁等對(duì)于LED熱阻大小的影響很大，因此選取合適的基板也是降低LED元件熱阻的方法之一。表2為采用不同材料制成基板的性能對(duì)比，綜合看來(lái)，鋁基板最佳，具有高熱導(dǎo)率、抗腐蝕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

4 COB封裝LED的散熱性能分析

4.1 熱阻分析

表2 不同材料基板對(duì)比

本文采用COB技術(shù)封裝多個(gè)小功率LED芯片，將LED芯片直接封裝在鋁基板上，擴(kuò)大了散熱面積，并除去了不必要的環(huán)節(jié)來(lái)減少熱通道，跳過(guò)SMD式封裝LED中的支架這一環(huán)節(jié)，分析等效熱阻如圖2所示。

圖2 SMD式LED和COB LED的等效熱阻對(duì)比

基于COB技術(shù)的LED明顯減少了結(jié)構(gòu)熱阻和接觸熱阻，由于散熱路徑較短，LED芯片在工作中產(chǎn)生的熱能可以有效傳遞至外界，因?yàn)榫哂羞@樣的特性，COB封裝可以比傳統(tǒng)SMD封裝維持更低的LED芯片結(jié)溫，使LED器件具有良好的散熱性能。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將基于COB技術(shù)封裝的LED器件和SMD封裝LED用紅外熱像儀進(jìn)行對(duì)比分析。任何有溫度的物體都會(huì)發(fā)出紅外線，紅外熱像儀接收物體發(fā)出的紅外線，通過(guò)有顏色的圖片來(lái)顯示溫度分布，根據(jù)圖片顏色的微小差異來(lái)找出溫度的異常點(diǎn)，從而起到檢測(cè)與維護(hù)的作用。

實(shí)驗(yàn)中，將兩種封裝方式LED的鋁基板放置到加熱器上，以同樣的熱量加熱，每個(gè)LED芯片的功率都為0.06W，開(kāi)通直流電源10min。紅外熱像儀將鋁基板發(fā)出的不可見(jiàn)的能量轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)的圖像，圖像上面不同顏色表示鋁基板表面的不同溫度，通過(guò)圖片的顏色分析散熱情況。

得到COB封裝的LED器件和SMD封裝LED的紅外熱像圖如圖3和圖4所示。

圖3 COB封裝LED的紅外熱像圖

圖4 SMD封裝LED的紅外熱像圖

通過(guò)觀察分析紅外熱像圖可見(jiàn)，采用COB技術(shù)封裝的LED顏色均勻、無(wú)斑點(diǎn)，表示導(dǎo)熱均勻，耐熱性較好；SMD封裝的LED顏色不均、有斑點(diǎn)，表示熱量分布不均勻，散熱性能不佳。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了基于COB技術(shù)的LED的散熱性能，對(duì)使用該方法封裝的LED器件做了等效熱阻分析和紅外熱像實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：采用COB技術(shù)封裝制成的LED器件縮短了散熱通道、增大了散熱面積、減小了熱阻，從而提高了LED的散熱性能，對(duì)LED器件的各方面性能起到良好的作用，延長(zhǎng)了使用壽命。

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