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COB LED散热优化载具 热管理路径与热阻分析

谢小姐    2025-09-05 02:44:09    37次浏览

1. 核心设计目标

***的热阻(Thermal Resistance):这是核心的指标。目标是化地将COB芯片产生的热量传导到载具,再通过载具散失到环境中(或冷却系统),从而降低COB的结温。

均匀的温度场:确保COB芯片及其周边区域温度均匀,避免局部过热。

可靠的物理接触:***COB基板与载具散热表面之间紧密、无缝、低热阻的物理接触。

可操作性与耐久性:便于安装和拆卸,能够承受反复的 thermal cycling(热循环),材料稳定不易变形。

2. 热管理路径与热阻分析

热量传递路径为:COB芯片 → 封装胶 → 基板(陶瓷或金属) → 导热界面材料(TIM) → 散热载具 → 环境/冷却系统。

整个路径的热阻(Rθ_total)是各个环节热阻的叠加。散热载具的设计目标就是小化自身热阻(Rθ_sink)并优化与COB的接触热阻。

3. 关键设计要素与技术方案

3.1 材料选择(基础)

材料导热系数 (W/m·K)特点与应用建议铜 (Copper)~400材料。导热性***,易于加工。缺点是密度大、成本高、易氧化。适用于功率密度的COB。铝合金 (Aluminum)~180-220常用。性价比,重量轻,易于加工和表面处理(阳极氧化)。性能足以应对大多数场景。铜钨合金/铜钼合金180-240热膨胀系数(CTE)与半导体材料匹配性好,用于***可靠性要求的场合,但***昂贵。高导热石墨烯/石墨片1500+ (面内)各向异性导热,面内导热性极好,可用于在载具内部均热,但垂直方向导热差,需与金属基体结合使用。

建议:主体结构采用6061或6063铝合金,在与COB接触的核心区域镶嵌一块厚铜块(Copper Core)或采用铜铝复合焊接工艺。这在成本、重量和性能间取得了平衡。

3.2 表面处理与接触界面

表面平整度与光洁度:

与COB接触的载具表面平面度需小于0.05mm,达到0.02mm以下。需经过精密磨削或铣削加工。

表面光洁度要高(Ra <0.8μm),以减少微观上的空气空隙。

导热界面材料(TIM - Thermal Interface Material):

导热硅脂(Thermal Grease):热阻***,但易于老化、干涸,不适合需多次重复使用的自动化测试载具。

相变材料(PCM - Phase Change Material):在常温下是固体,加热后变软填充缝隙,兼有硅脂的高性能和硅胶垫的便利性,是自动化测试的理想选择。

导热硅胶垫(Thermal Pad):使用方便,可重复使用,但热阻相对较高。需选择柔软、导热系数高(>3 W/m·K)的型号,并在设计时通过弹簧压紧机制***其充分压缩。

表面涂层:

铝合金表面可进行硬质阳极氧化,增加硬度、耐磨性和辐射率(利于后续热辐射)。

铜表面可进行镀镍处理,防止氧化,保持长期稳定的导热性能。

3.3 机械压紧机构

目标:提供持续、稳定、可重复的夹紧力,确保TIM被充分压缩,接触热阻小化。

弹簧加载压臂:是方案。使用不锈钢弹簧提供恒定压力,避免因热膨胀或尺寸公差导致压力过大或过小。

四角同步压紧:对于大尺寸COB,采用四个压臂同时压紧,确保压力均匀分布,防止基板弯曲。

压力计算:根据TIM厂商推荐的压缩比(如30%)来计算所需的压紧力。压力不足则热阻高,压力过大则可能压碎COB芯片或导致基板变形。

3.4 主动散热集成

散热载具本身是一个“热沉(Heat Sink)”,但为了应对大功率测试,常需集成主动散热。

内部水冷通道:

在载具内部直接CNC加工出冷却液流道。这是散热效率的方式。

设计要点:流道应尽可能靠近热源(COB安装面),流道截面尺寸、流速和压降需经过计算,确保湍流状态,化热交换效率。

标准接口:预留G1/4"或G3/8"等标准冷却液接头,方便快速连接外部冷却机组(Chiller)。

3.5 热仿真(至关重要)

在设计和加工前,必须使用计算流体动力学(CFD)软件(如ANSYS Icepak, FloTHERM)进行热仿真。

仿真内容:模拟COB发热时,整个系统的温度分布、流速场、压力场。

优化目标:

确认COB结温是否在安全范围内。

检查载体温度是否均匀。

优化冷却流道设计、鳍片形状和尺寸。

验证压紧力和TIM选择的合理性。

4. 设计实例:大功率COB LED老化测试载具

应用:对100W COB LED进行1000小时老化测试。

载具结构:

主体:采用6061-T6铝合金,底部镶嵌厚紫铜均热板。

散热:内部集成双螺旋形冷却流道,连接外部25°C恒温冷却机组。

界面:使用相变导热材料(PCM)片,预贴在载具表面。

压紧:采用四个弹簧加载的不锈钢压臂,压臂接触点使用PEEK材料绝缘和防刮伤。

电连接:集成大电流弹针(Pogo Pin),用于给COB供电,并从载具下方引出导线。

监测:预留孔位用于安装PT100温度传感器,实时监测载具温度(非常接近COB基板温度)。

5. 总结与建议

一个***的COB LED散热优化载具是热学、力学和材料学的***结合。

设计流程建议:

明确需求:功率大小?测试时间?目标结温?允许的尺寸和成本?

热阻计算:初步估算所需载具的热阻性能。

选型:选择主体材料、TIM类型和压紧方式。

CFD热仿真:构建模型并进行迭代优化,这是节省成本和时间的关键一步。

精密加工:由有经验的供应商完成,确保平面度、光洁度和流道密封性。

实测验证:使用热电偶或热成像仪实际测量载具和COB的温度,与仿真结果对比校准。

对于***值、大功率的COB LED测试和生产,投资一个设计精良的散热优化载具是必要的,它能确保测试数据的准确性、提高产品可靠性和生产效率。

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