本文重點(diǎn)從封裝角度對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整個(gè)LED器件散熱性能的影響并進(jìn)行紅外熱像圖分析

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)周圍的環(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芯片失效率有增長的趨勢因此對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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但僅僅通過電路板來改善散熱問題是不夠的還要通過其他熱設(shè)計(jì)的方法來提高LED的散熱性能

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傳遞能量相對而言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

Q=K×A×ΔT/ΔL（1）

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

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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)附近輻射出來的光還需經(jīng)過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)溫度來提高LED燈的壽命

3.1LED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LED的結(jié)溫越低LED的持續(xù)光效越高壽命也越長

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)過度溫升PN結(jié)對此的響應(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)（包括焊盤設(shè)置布線和鍍層等）對LED的散熱性能尤為重要

3.2封裝工藝對散熱性能的影響

目前市場上對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但畢竟對改善散熱能力影響有限所以通過選擇適當(dāng)?shù)腖ED封裝工藝技術(shù)成為對LED進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)的主要方法可見采用COB技術(shù)封裝的LED相比于其他封裝工藝熱阻最小

3.3材料對散熱性能的影響

封裝工藝確定后通過選取不同的材料進(jìn)一步降低LED器件的熱阻提高LED的散熱性能目前國內(nèi)外常針對基板材料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

COB封裝LED的散熱性能分析

4.1熱阻分析

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)來減少熱通道跳過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

COB散熱

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通過有顏色的圖片來顯示溫度分布根據(jù)圖片顏色的微小差異來找出溫度的異常點(diǎn)從而起到檢測與維護(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開通直流電源10min紅外熱像儀將鋁基板發(fā)出的不可見的能量轉(zhuǎn)變成可見的圖像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

通過觀察分析紅外熱像圖可見采用COB技術(shù)封裝的LED顏色均勻無斑點(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

結(jié)束語

本文分析了基于COB技術(shù)的LED的散熱性能對使用該方法封裝的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LED器件的各方面性能起到良好的作用延長了使用壽命