三大角度分析基于COB技术的LED散热性能

　　本文重点从封装角度对LED的散热性能进行热分析，并进行热设计。采用COB技术，直接将LED芯片封装在铝基板上，缩短了热通道和热传导的距离，从而降低了LED的结温，设计出一种基于COB技术的LED。分析其等效热阻网络，比较不同封装方法对整个LED器件散热性能的影响，并进行红外热像图分析。

　　引言

　　LED器件在工作中的功率损耗通常以热能耗散的形式表现，任何具有电阻的部分都成为一个内部热源，导致热密度急剧上升，于是器件本身温度也随之上升，同时周围的环境温度也会影响内部温度，从而影响到LED的可靠性、性能和寿命。研究表明，随着温度的增长，芯片失效率有增长的趋势，因此对LED封装时进行可靠的热设计，实施有效的热控制措施是提高其可靠性的关键。

　　在电子行业，器件环境温度每升高10℃时，往往其失效率会增加一个数量级，这就是所谓的“10℃法则”。当前采用的方法大多是从电路板的材料考虑，选用一些热导率高、稳定的材料，如铜、铝、陶瓷等。但仅仅通过电路板来改善散热问题是不够的，还要通过其他热设计的方法来提高LED的散热性能。

　　散热技术

　　任何电子器件及电路都不可避免地伴随有热量的产生，而要提高其可靠性以及性能，则必须使热量达到最小程度，采用适当的散热技术就成为了关键。

　　物质本身或当物质与物质接触时，能量的传递就被称为热传导，这是最普遍的一种热传递方式，由能量较低的粒子和能量较高的粒子直接接触碰撞来传递能量。相对而言，热传导方式局限于固体和液体，因为气体的分子构成并不是很紧密，它们之间能量的传递被称为热扩散。

　　热传导的基本公式为：

　　Q=K×A×ΔT/ΔL (1)

　　其中Q代表为热量，也就是热传导所产生或传导的热量;K为材料的热传导系数，热传导系数类似比热，但又与比热有一些差别，热传导系数与比热成反比，热传导系数越高，其比热的数值也就越低。举例说明，纯铜的热传导系数为396.4，而其比热则为0.39;公式中A代表传热的面积(或是两物体的接触面积)，ΔT代表两端的温度差;ΔL则是两端的距离。因此，从公式中我们就可以发现，热量传递的大小同热传导系数、传热面积成正比，同距离成反比。热传递系数越高、热传递面积越大，传输的距离越短，那么热传导的能量就越高，也就越容易带走热量。

　　LED的散热性能和封装

　　LED作为一代新光源，逐步应用到普通照明中来，其最基本的光学要求即光通量，目前提高LED光通量有两种方式，分别为增加芯片亮度以及多颗密集排列等方式，这些方法都需输入更高功率的能量，而输入LED的能量，只有少部分会转换成光源，大部分都转成热能，在单颗封装内送入倍增的电流，发热自然也会倍增，因此在如此小的散热面积下，散热问题会逐渐恶化。

　　与传统光源一样，LED在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在PN结附近辐射出来的光还需经过LED芯片本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、晶片外部出光效率等，最终大概只有30%~40%的输入电能转化为光能，其余60%~70%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化成热能。而LED芯片温度的升高，则会增强非辐射复合，进一步削弱发光效率，并且缩短寿命。LED灯所采用的散热技术必须能够有效降低发光二级管PN结到环境的热阻，才能尽可能降低LED的PN结温度来提高LED灯的寿命。

　　图1所示为在工作电流恒定的条件下，Lumidleds1W LED的光衰与结温的关系曲线，可见结温越高，光通量衰减越快，寿命也就越短。

　　3.1 LED的散热

　　LED的散热性能参数主要是指结温和热阻。LED的结温是指PN结的温度，LED的热阻一般是指PN结到外壳表面之间的热阻。结温是直接影响LED工作性能的参数，热阻则是表示LED散热性能好坏的参数。热阻越小，LED的热量越容易从PN结传导出来，LED的结温越低，LED的持续光效越高，寿命也越长。

　　当LED的PN结温度升高时，会导致LED的正向导通压降减小，意味着一旦回路中的LED出现过度温升，PN结对此的响应会使LED的温度进一步升高，如果LED芯片的温度超过一定值，整个LED器件就会损坏，这一温度值即临界温度。不同封装材料的LED的临界温度不同，即使是同一材料，封装工艺等因素也会影响临界温度。与传统光源不同的是，印制电路板既是LED的供电载体，同时也是散热载体。因此，印制电路板的散热设计(包括焊盘设置、布线和镀层等)对LED的散热性能尤为重要。

　　3.2 封装工艺对散热性能的影响

　　目前市场上对LED芯片的封装以单颗封装为主，单颗封装如仅应用在1~4颗LED散光灯，散光灯点亮时间短暂，故热累积现象不明显。如应用在日光灯上，要紧密排列并较长时间点亮，因此在有限的散热空间内难以及时地将这些热排除于外。

　　LED芯片的特点是在极小的体积内产生极高的热量。而LED本身的热容量很小，所以必须以最快的速度把这些热量传导出去，否则就会产生很高的结温。

　　虽然LED芯片架构与原物料是影响LED热阻大小的因素之一，减少LED本身的热阻是先期条件，但毕竟对改善散热能力影响有限，所以通过选择适当的LED封装工艺技术成为对LED进行散热设计的主要方法。表1列出的是市场上常见的几种不同封装工艺LED的热阻。

　　可见采用COB技术封装的LED相比于其他封装工艺热阻最小。

　　3.3 材料对散热性能的影响

　　封装工艺确定后，通过选取不同的材料进一步降低LED器件的热阻，提高LED的散热性能。目前国内外常针对基板材料、粘结材料和封装材料进行择优选择。

　　不同导热系数的基板材料，如铜、铝等对于LED热阻大小的影响很大，因此选取合适的基板也是降低LED元件热阻的方法之一。表2为采用不同材料制成基板的性能对比，综合看来，铝基板最佳，具有高热导率、抗腐蚀、成本低等优点。

　　COB封装LED的散热性能分析

　　4.1 热阻分析

　　本文采用COB技术封装多个小功率LED芯片，将LED芯片直接封装在铝基板上，扩大了散热面积，并除去了不必要的环节来减少热通道，跳过SMD式封装LED中的支架这一环节，分析等效热阻如图2所示。

　　COB散热

　　基于COB技术的LED明显减少了结构热阻和接触热阻，由于散热路径较短，LED芯片在工作中产生的热能可以有效传递至外界，因为具有这样的特性，COB封装可以比传统SMD封装维持更低的LED芯片结温，使LED器件具有良好的散热性能。

　　4.2 实验结果

　　将基于COB技术封装的LED器件和SMD封装LED用红外热像仪进行对比分析。任何有温度的物体都会发出红外线，红外热像仪接收物体发出的红外线，通过有颜色的图片来显示温度分布，根据图片颜色的微小差异来找出温度的异常点，从而起到检测与维护的作用。

　　实验中，将两种封装方式LED的铝基板放置到加热器上，以同样的热量加热，每个LED芯片的功率都为0.06W，开通直流电源10min。红外热像仪将铝基板发出的不可见的能量转变成可见的图像，图像上面不同颜色表示铝基板表面的不同温度，通过图片的颜色分析散热情况。

　　得到COB封装的LED器件和SMD封装LED的红外热像图如图3和图4所示。

　　通过观察分析红外热像图可见，采用COB技术封装的LED颜色均匀、无斑点，表示导热均匀，耐热性较好;SMD封装的LED颜色不均、有斑点，表示热量分布不均匀，散热性能不佳。

　　结束语

　　本文分析了基于COB技术的LED的散热性能，对使用该方法封装的LED器件做了等效热阻分析和红外热像实验，结果表明：采用COB技术封装制成的LED器件缩短了散热通道、增大了散热面积、减小了热阻，从而提高了LED的散热性能，对LED器件的各方面性能起到良好的作用，延长了使用寿命。

编辑：Bober