自散热片式LED-COB光源

　　综述自散热片式LED-COB光源杨超区燕杰2，安兵杨卓然2，吴懿平1（1.华中科技大学材料科学与工程学院，湖北武汉430074；2.江门市蓬江区卓然光电科技有限公司，广东江门529000）有光学反光槽。整个基板既作为LED芯片的支架，又作为散热片。LED芯片与外界环境之间只有固晶胶一层热阻，大大提高了LED散热系统的散热效率。所设计的COB光源的功率为1~2W、散热面积为30cm2、质量为1.9g.经过测试，在环境温度为25°C、功率1.92W、发光面处于顶部的竖直放置的条件下，红外热像仪测得散热片上的高温度为66.2°C，通过正向电压法测得LED芯片的结温为72.4°C.自散热片式COB-LED光源不仅能提高LED灯具的散热性能，同时还能降低LED灯具的系统成本。

　　基金项目：广东省科技创新资金项目（项目编号：2012CY142）。

　　为了解决大功率LED的散热问题，国内外学者及工程师都在LED芯片、封装结构、封装材料及外部散热方式等诸多方面进行了大量的研究。有各种优良的LED封装结构，如引脚式封装、表面贴装式的板上芯片式封装结构（COB，chipon卜2等。相比而言，COB封装的光源光线均匀柔和、眩光小、成本低、可靠性高，是现阶段LED封装结构的主流。由于COB光源自身无散热能力，必须外加散热器才能正常工作，因此，COB光源与散热器必需紧密贴合才能将热量高效导出。然而，目前COB与散热器的连接主要采用导热胶粘接或由螺钉固定的连接方式，并在COB光源与散热翅片之间涂覆导热膏以减小热阻。一般地，导热胶或导热膏的热导率只有12W/（m.C），而螺钉直接固定可能存在空气界面（空气的热导率只有0.02W/（m.°C）），所以这种连接方式仍存在较大的热阻，严重影响了COB光源的散热性能。

　　针对目前LED光源在使用过程中连接热阻过大等问题，尝试将LED芯片直接封装在有光学反光杯的散热片上，这样就使得LED芯片与外界环境之间就只有固晶胶一层热阻，这样的自散热片式LED-COB光源结构极大地降低了散热系统的热阻，具有较好的散热效果，适合于大功率LED的封装应用。

　　1自散热片式LED-C0B光源1.1光源的封装结构封装的功能在于提供芯片足够的保护，防止芯片在空气中长期暴露或机械损伤而失效，以提高芯片的稳定性；对于LED封装，好的封装可以让LED具备更好的发光效率和散热性能，进而提升LED的寿命。近些年来，随着功率型LED的广泛应用，LED-COB封装技术得到了更加快速的发展。COB封装是指将裸芯片直接粘贴在散热基板上，芯片与芯片或芯片与基板之间通过金线键合，然后在芯片上直接涂覆荧光粉胶的封装方式。与传统的SMT封装结构相比，COB封装结构减小了LED热量散失时的热阻。所示为COB封装结构和SMT封装结构及其界面热阻分析。其中，P为芯片产生的热功率；为芯片结温；0，为散热基板温度；0为散热翅片温度；为芯片与支架粘接层热阻；为支架自身热阻；A3为芯片热沉热阻；及4为热沉到散热基板之间的热阻；及5为散热基板的热阻；及6为散热基板到散热器之间的热阻；为散热器到空气间的热阻。

　　相比于传统的COB光源，作者研发了一种自散热片式COB光源。这种光源的特点是直接将LED芯片封装于散热片的侧面，从而省去了传统COB封装结构中散热基板到散热器之间的热阻，大大提高了LED灯具的散热能力。为自散热片式COB封装结构及其界面热阻分析。其中，P为芯片产生的热功率；0为芯片结温；0，为散热基板温度；0f为散热翅片温度；为芯片与支架粘接层热阻；及7为散热器到空气间的热阻。

　　1.2自散热片式LED-COB封装工艺1.2.1基板支架的制作传统COB光源要在铝基材上先制作绝缘层其上制作电路和电极。绝缘层的存在使铝基板COB光源生产工艺变得复杂，而且在高温时，绝缘层可能与铝基材发生剥离，影响COB光源的寿命。在制作陶瓷基板COB光源时，需要将陶瓷基板进行金属化以实现电路层，这也使得陶瓷基板的价格较高。陶瓷基板常用的材料为AI2O3陶瓷，其热导率只有17热导率，虽然AlN陶瓷的热导率能达到275320W/（m°C），但是其价格非常高，无法作为大规模使用的COB光源基板。另外，陶瓷基板一般不带有金属反光层，这样会损失一部分光效。

　　相比于铝基板和陶瓷基板COB，自散热片式COB光源的基板为无电路层结构，生产工艺简单，成本低廉。将纯铝通过挤压或锻压等方式加工出侧面具有反光槽的片式散热支架，再通过阳极氧化或者真空镀铝来提高反光杯的反光率，以增强COB光源的出光效率。（a）为自散热片式COB光源基板支架示意图。

　　自散热片式基板不需要电路层的制作，只需两个绝缘电极放置在反光杯的两头，即可作为围坝阻挡荧光胶的流淌，又能实现与外部电气的连接。绝缘电极结构如（b）所示，其制作工艺与SMD灯珠支架制作工艺相同。将绝缘电极贴装在反光杯的两端，就形成了完整的自散热基板，如（c）所示。1.2.2LED芯片的封装将LED芯片固晶于基板反光槽底部，金线键合将其串联起来，后将LED模组的正负极与绝缘电极相表1相关材料性能参数表连接。由于绝缘电极与反光杯形成一个四周封闭的区域，因此不需要进行围坝，直接可将配制好的荧光胶注入到反光杯中，烘干固化后便完成了整个自散热片式LED-COB模组的封装。为封装好的自散热片式LED-COB模组光源示意图。

　　2自散热片式COB光源散热性能2.1不同封装结构散热性能对比借助有限元分析软件对四种封装结构进行温度场仿真模拟。四种不同封装结构的光源模组示意图如所示。模拟过程中需使用到的材料性能参数列于表1.假设各种材料为各向同性，且粘接良好。在封装过程中，分别将0.2W的1226（0.42mmX.66mm）LED芯片封装在SMD支架、铝基板COB支架、陶瓷基板COB支架以及自散热片式基板支架上，固晶时采用绝缘固晶胶。每种结构的光源功率均为2.5W，按照目前LED芯片20的光电转化效率来计算，那么每个光源模组的发热量为2W.将SMD光源先贴片回流在铝基板上形成SMD光源模组，再将SMD光源模组、铝基板COB光源模组、陶瓷基板COB光源模组分别固定在相同的散热器上，散热器与铝基板之间通过导热硅脂相连，散热器材质为纯铝，其表面积为50cm2，质量为9g.自散热片式光源基板支架材质也是纯铝，其尺寸为35mmX40mmxlmm，散热面积为30cm2，质量为3.9g，环境初始温度设置为25C.用有限元模拟软件对上述四种模型进行温度场模拟仿真，假设散热器辐射系数为0.5，其模拟结果如所示。

　　由上述模拟结果可以看出，SMD封装结构的光源系统由于其热阻较大，模拟结果显示其LED芯片结温为83.17C；对于陶瓷基板COB结构，LED芯片直接封装在陶瓷基体上，虽然Al2O3陶瓷基板的热导率（32W/（m.°C））远大于铝基板的热导率（2.2W/（m°C）），但是从模拟结果看出，其LED芯片结温为81.39C，并没有比SMD封装光源的芯片结温低很多，这是因为在COB封装结构中，LED芯片彼此间隔距离较小，若散热基板不能快速地将芯片产生的表2不同基板厚度时LED芯片的结温高热流密度扩散，热量就会聚集；相比于陶瓷基板的COB封装结构，铝基板COB将LED芯片封装在纯铝基材上，其热导率为237W/（m.°C），远大于Ai23陶瓷基板的热导率，我们可以从模拟结果中看出，其LED芯片结温为76.85C，比陶瓷基板低了接近5C；自散热片式COB光源在相同功率的条件下，模拟出的LED芯片结温为78.16C，略高于铝基板COB结构温度，低于陶瓷基板COB结构和SMD封装结构的温度。

　　应指出的是，自散热片式COB光源模组的散热面积只有30cm2，质量约为3.9g，而其他三种结构的散热器散热面积均为50cm2，质量约为9g.相比之下，自散热片式COB光源的散热效率已经比传统的LED封装光源散热效率提高了近一倍。

　　2.2自散热片式COB热性能优化虽然自散热片式COB光源的散热效率比传统封装结构光源的散热效率高出许多，但仍可进一步提高其散热性能。

　　由于基板的宽高方向可以根据实际使用情况进行调整，不适宜对其进行定量的优化。因此，我们只优化自散热片式COB光源基板的厚度，我们先确定自散热片式COB光源的宽高为35mmx40mm，使用功率为2W，热功率为1.6W，模拟室温为25C，散热器辐射系数为0.5，表2为不同基板厚度时LED芯片的结温。

　　由表2看出，随着基板支架厚度的增大，LED芯片结温降低，当其厚度超过0.8mm后，LED芯片结温下降缓慢，因此理论上来说将基板支架厚度定为0.8mm为合理，但是考虑到实际生产的成本以及工艺等因素，将基板支架厚度定为1mm较为合理。

　　为了进一步提高金属材料的利用率，将侧面为平面的铝散热片做成波纹状，波纹状的散热片不仅增大了金属材料的相对体表面积，还能提高散热片周围空气的扰动，提高散热片的换热性能。根据现有的拉铝生产工艺水平，可以将散热片侧面的波纹直径设置为0.2mm.在保证散热片的散热面积为30cm2，散热片的宽度为35mm时，散热片的高度就从原来的40mm缩短到26mm，此时散热片的质量仅为1.9g，同样在室温25C，光源功率为2W的条件下进行模拟，其温度分布如所示，高温度（结温）为69.52C. 2.3样品制作与测试根据上述的优化参数，制作了自散热片式COB光源样品，使用红外热像仪对其进行热测试，结果如所示。

　　测试得出，铝散热片上高温度为66.2C，低温度为61.6C，散热片上温度分布均匀，温度一致性好。通过正向电压法测量芯片的实际结温，得出片式光源的系统热阻为3.1C/W，结温为72.4C.相同条件下我们模拟得出LED芯片结温为69.5C，与测试结果相差2.9C，说明我们用有限元模拟软件做出结果具有一定的实际指导意义。（下转第291页）1-密封件组件和橡胶密封垫；2-伺服单元支架；3-热缩专用胶；4-收缩后的异型热缩管；5-硅橡胶粘接剂固化后充满间隙；6-电缆；7-加装的热缩管；8-硅橡胶粘接剂固化后可等效为O型橡胶密封在异型热缩管和电缆上加装热缩管并涂抹硅橡胶粘接剂尾部端面为基准，左右各取约25mm范围内的异型热缩管和电缆表面用溶剂进行表面处理，然后涂抹704硅橡胶粘接剂于上述表面。注意涂胶时在异型热缩管尾部端面周圈应特别堆积粘接剂，使其成为截面直径约3mm的O型胶体圈（所示的箭头5处），后套好热缩管并进行热缩。热缩完成后要及时清洁被胶体污染表面，检查纰漏并及时补胶。

　　热缩管热收缩、硅橡胶粘接剂固化后（24h），热缩管收缩率50，产生的抗张强度8.3MPa、拉伸强度14MPa、邵氏硬度70，在紧密包箍电缆和异型热缩管所形成的粘接接头段，热缩管硬度较高，收缩后接头段形成刚性体。成功抵消了电缆的弯曲变形产生的破坏应力，保护胶接接头避免剥离和劈裂，使胶接接头有效粘接和密封。

　　热缩管热收缩、硅橡胶粘接剂固化后（24h），用空压机做0.010MPa、1h气密和淋雨试验，未发现漏气和组合腔内进水现象发生。经检验和鉴定，完全满足设计技术条件和GB74A-98指标要求。

　　3可靠性分析异型热缩管尾部处和电缆外直径有较大差异（电缆D16mm，异型热缩管尾部D20mm），加装的热缩管收缩后，在该处形成断面直径约为D2mm的O型间隙，硅橡胶粘接剂充满此间隙。704硅橡胶粘接剂的特点是固化后形成高密度弹性体，在一60200C能保持良好的弹性，并有耐臭氧、耐日光老化、防潮等优点，形成的密封体。

　　极端情况下，在遭遇电缆非工作状态破坏应力时，如电缆被径向破坏性拉扯，胶层发生剪切破坏时，硅橡胶体首先与热缩管分离（硅橡胶对自身粘接强度较高，对热缩管很低），硅橡胶体仍有效粘接和密封；若图硅橡胶体也与异型热缩管尾部端面发生剥离，在此处图胶设计形成的O型硅橡胶体可等效为O型橡胶密封圈防水模型，密封仍然有效。

　　4结速语本文简述了采取工艺措施解决雷达伺服连接电缆漏水问题的整改过程。在电缆材质不能更改、结构型式不能改变的条件下，经过反复论证和试验，在原粘接接头处改用硅橡胶粘接剂和加装紧固元件一热缩管。热缩管硬度较高，收缩后使粘接接头处成为刚性体，有效保护粘接接头免受剥离和劈裂应力破坏。