3个角度分析COB技术的LED散热性能
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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。 |
