摘要
本文對熒光膠與LED芯片的距離相互熱影響進行了仿真， 結(jié)果表明熒光粉粒子在硅膠中分布的位置會引起溫度的變化，隨著熒光粉粒子越靠近冷卻系統(tǒng)，膠體溫度逐步降低。實驗證明COB光源膠體的開裂與變黑，主要是由于熒光粉激發(fā)過程產(chǎn)生熱量引起。
關(guān)鍵字：COB發(fā)光面溫度、硅膠、熒光粉粒子
COB(Chip-on-Board)封裝技術(shù)因其具有熱阻低、高光密度輸出、色容差小、組裝工序少等優(yōu)勢，在業(yè)內(nèi)受到越來越多的關(guān)注。利用黃色熒光粉封裝的白光LED， 因制作工藝簡單， 是通用照明中最常用的一種工藝。
藍光LED激發(fā)黃色熒光粉會產(chǎn)生黃綠光， 與藍光LED混合成白光。在藍光激發(fā)黃色熒光粉的過程中， 會有一部分光能都轉(zhuǎn)化成熱能， 再加上芯片工作時傳導到熒光膠上的熱量， 熒光膠通常處于高溫狀態(tài)，因此 LED燈具的可靠性與COB光源的溫度密切相關(guān)，由于COB光源采用多顆芯片高密度封裝，其溫度分布、測量方式與SMD光源有明顯不同。
本文將介紹COB光源的溫度分布特點與其內(nèi)在機理，并對不同熒光膠涂覆方法進行比較。
實驗使用LED模型如圖1所示，
圖1 ：LED模型
分別對硅膠藍光樣品，熒光膠白光樣品進行高溫老化。熒光膠樣品膠體出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象，硅膠藍光樣品膠體未發(fā)生明顯變化。通過實驗可推斷，由于熒光粉的引入，造成了LED膠體發(fā)生變化，出現(xiàn)在老化過程變黑現(xiàn)象。
表1 ：樣品老化對比
LED膠體由熒光粉、膠水組成，其中LED熒光粉制備溫度高達1500℃，而另一組成成份為硅膠，硅膠為有機物在常溫下反應的產(chǎn)物，如表1所示，隨著溫度的增加，反應鏈發(fā)生變化，當溫度到達250℃時，膠體出現(xiàn)發(fā)黃并開裂，溫度再增加，膠水會出現(xiàn)碳化的現(xiàn)象。因此COB膠體表面變黑或開裂，是由于膠水出現(xiàn)的性變，而其產(chǎn)生變化是熒光粉引入后造成的溫度升高。
表2：不同膠水在200℃/250℃膠水對比
當LED藍光照射到發(fā)光材料（熒光粉）上時，一部分被反射、散射、透射，剩下的被吸收，而被吸收的這部分光中，一些作為發(fā)光躍遷，發(fā)射光子，一些作為晶格振動，產(chǎn)生猝滅。發(fā)光和猝滅在發(fā)光材料中相互獨立相互競爭的兩種過程，猝滅占優(yōu)勢時，發(fā)光就弱，效率也低，反之則亦然。而熒光量子效率為單位時間內(nèi)，發(fā)射二次輻射熒光的光子數(shù)與吸收激發(fā)光初級輻射光子數(shù)之比值。
圖2 ：熒光粉轉(zhuǎn)換示意圖
如圖2所示，以某公司黃粉為例，假設LED藍光光功率為4W，通過熒光粉吸收效率（74%），內(nèi)量子效率（79%），外量子效率（59%）后，實際出來的白光光功率為1.38W，可得出熒光粉的實際轉(zhuǎn)換效率為34.5%，其它轉(zhuǎn)換為熱能或者被其它熒光粉粒子重新轉(zhuǎn)換。
圖3 ：LED仿真模型
表3 ：仿真分析模型說明
由公式1、2，可得出在不同熒光粉厚度下，熒光粉的粒子數(shù)及熒光粉層數(shù)。
其中V總為熒光膠體總體積，α為膠粉質(zhì)量比，ρs=4.88g/cm3為熒光粉密度，ρp=1.1g/cm3為硅膠密度，γ為熒光粉粒子半徑，H為熒光膠體厚度。
仿真設定芯片輸入電功率Pele=0.48×24.1=11.5W，光電轉(zhuǎn)換效率η=40%，熒光粉吸收后發(fā)熱能量為2.5W。
為方便計算，假設膠體形狀為長方體，熒光粉為單粉，粒子均勻分布在膠體中，且每顆熒光粉粒子的發(fā)熱量相等，芯片與芯片之間為膠水填充，由于計算量較大，將熒光粉模型數(shù)量降低。
表4：仿真圖
從仿真結(jié)果可得出，在相同芯片溫度（Tj=85℃）情況下，模型1溫度比模型2溫度高91℃，比模型3溫度高70℃。從模型1可看出，底部熒光粉粒子溫度比頂部熒光粉粒子溫度低157℃，底部冷卻系統(tǒng)散熱優(yōu)于頂部自然對流散熱。因此減少熒光粉在膠體中的路徑，能有效降低膠體溫度，提升產(chǎn)品可靠性。
COB產(chǎn)品膠體的變黑與開裂現(xiàn)象，與熒光粉顆粒分布、熒光粉轉(zhuǎn)換效率、膠水的耐溫性、光密度、散熱系統(tǒng)等均有關(guān)聯(lián)。本文通過實驗及仿真分析得出：
1、膠水在COB光源系統(tǒng)中的溫度分布存在一定差異，主要是由于熒光粉在激發(fā)過程中，會產(chǎn)生一定熱量，造成粉體附近的膠體溫度升高。
2、膠體內(nèi)部的溫度隨著熒光粉層位置的變化而出現(xiàn)差異，熒光粉粒子越靠近冷卻系統(tǒng)溫度越低。