高性价比COB产品开发

高性价比COB产品开发

陈巧敏,黄德冰,陈静

开发晶照明（厦门）有限公司 

福建厦门，361000

摘要： COB光源已被广泛应用于商业照明应用， 逐步进军家居照明，COB因其天然优势，是LED 封装领域王冠上的明珠。而高性价比COB 产品的开发将使这个明珠更加熠熠生辉。本文主要通过光效和光色提升设计，热学优化设计，兼容应用设计及工艺改善等方面，进行高性价比COB产品进行开发，以实现从理论到实验最终到产品的转化。

关键字：高光效 兼容应用 高性价比

概述

众所周知，COB也就是chip on board，及板上芯片封装，是直接将LED芯片贴到高反光率镜面基板上的高光效集成面光源封装技术。COB 广发应用与筒灯，射灯，球泡灯等室内照明装饰灯具，也可以应用于轨道灯，工矿灯，隧道灯，投光灯等室外照明灯具。通过它的应用场合，我们可以体会到COB 的百变魅力。COB可以实现灯具小巧化设计，也可以实现小角度的聚焦照明，同样可以实现大功率的灵活设计。而相比于单个芯片封装LED器件，COB封装多芯片、多焊点、高功率密度也导致了封装工艺难度出现了指数级的增加。

LED封装始终围绕着光、电、热的转换进行器件运作，出光效率一直以来受芯片电能转换热能、荧光粉激发效率、封装器件损失的影响， 2020美国能源部发布LED商品化器件转换效率33%、除此之外，芯片电能转热能损耗34%、荧光粉斯托克斯效应损失占比13%、封装环节损失20%。本文就光效与光色，热学，应用及工艺改善等方面来进行COB 产品性价比的提升设计。

光效与光色提升设计

高光效是COB 产品开发最需要满足的需求，并将进行孜孜不倦的追求目标。COB主要BOM构成物料有 基板，芯片，底胶，键合线，荧光粉和封装胶。

芯片可以说是COB 的灵魂，芯片的选型，布局尤为重要。当然芯片本身也是一部极具色彩的发展史，文章不再详述。芯片的选型可以通过其光热分布对比摸个底。当电流流过LED元件时，PN结的温度将上升，严格意义上讲，就把PN结区的温度定义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。我们通过不同厂家同尺寸芯片在同一应用电流，同1环境温度下，芯片光热分布对比，验证芯片的光热分布对比，乃至可靠性对比。如下图1 。从中可以看出A芯片的热分布比较均匀，B/C晶片的热量主要集中在负极，故A晶片的RA烧测 结果会好于B/C芯片。

图1，不同厂家同尺寸芯片在同环境下的光热分布对比

选择散热性能好的芯片，将使我们在COB 设计上事半功倍。而芯片的排布，则可以使COB产品开发设计锦上添花。在LES内芯片都可以排布的前提下，可选择芯片尺寸小、 颗数多的方式来达到热分布相对较均衡的效果。

荧光粉在COB光效上的提升可以从粒径，型号，波段进行优化设计，值得一提的是KSF (氟化物)红色荧光粉,激发效率是氮化物红粉的3.5倍以上，可大大提升产品的光效； 但氟化物有毒、制程工艺复杂，成本较高和专利授权原因，故无法应用于常规LED产品封装中。在专利授权许可下，采用KSF荧光粉搭配保华剂的使用，对COB 光效的提升有了突破性进展，在使用KSF 荧光粉前提下，3000K 90显指的光效甚至高于常规氮化物荧光粉的3000K 80显指的光效！如此重大的提升改进，将促使我们克服复杂的工艺而进行合理的应用。

从应用的角度，我们对COB 有光效的需求，有光色体验的需求。单COB光色体现往往通过熟知荧光粉特性情况下，挑选合适的落点来达到更优美的光色体现，比如我们的bellow BBL系列的光色。低蓝光设计，贴近自然光谱的设计，则使照明更加thrive。

不同的场景下，改变光源的色温可以带来更好的照明体验。在空间没有限制的时候，实现变色温是件很容易的事情，只要将高低色温的器件混合封装、分别驱动就可以了。COB光源的色温改变也是这样的思路，将COB光源中的芯片分成两组，分别涂覆不同种类和浓度的混合荧光粉，使两组芯片产生不同色温的白光。改变两组芯片的电流大小，可以让光源发出不同色温的白光。COB光源尺寸小，发光之后看不出两种不同色温的发光点，而是一个均匀的发光面，这是COB光源的优点，但是尺寸小，也给调色COB光源的制作造成了不小的困惑。经过多年的摸索，针对不同的芯片结构，人们发明并改进了印刷、喷涂、荧光片等几种技术，实现了COB光源中不同种类荧光粉的定域、定量涂覆。相信可调色温可调色彩COB的开发，也将在智能家居照明中获得青睐。

热学优化设计

热学设计的原则是使COB器件结构具有极低的热阻，它不仅与COB的可靠性有关，还直接影响到发光效率，因为LED的发光效率随温度升高而降低，热阻就是COB对散热所产生的阻力。由于COB光源使用的金属基线路板或者陶瓷基板反射率不如镀银支架，较低的反射率叠加多芯片之间光的互相吸收，COB光源发光效率要低于SMD器件30%以上，后来镜面铝基板的导入解决了反射率问题，但是多芯片的互相吸收仍然使得COB光源光效低于分立器件。

热与光从来此消彼涨，提升基板的散热性能是提升光效的不二法门。铝基板目前广泛应用于COB，时时关注铝基板新材料，新工艺，是我们COB设计的基石，当前国内铝基板厂商也在业界推动下，不断提升铝基板的散热性能，可靠性等，同时也在淘汰一些裹足不前的基板材料和基板厂商。

通常情况下，只要产品的使用电流不变即power density不变时，发光区内的温差趋势将基本不变，而同一尺寸产品，LES的 power density的增大，温度梯度也相应变大；因此COB产品的尺寸，LES的尺寸设计都需要合理综合考虑。芯片间距的优化，即分散热源可降低温度梯度这些都是在COB 产品开发设计热学处理上需要注意的。

兼容应用的设计提升

COB 由于本身发光面相对SMD 大的特点，大发光面是有点，也是软肋。理论上，LED器件在使用过程中，触摸胶面本不该发生，但在实际应用中，有时触碰到胶面也是无法避免，而COB 一旦被触碰胶面，很有可能会被压到打线，造成短线，缺亮等不良。而此时，封装胶水的选择及升级也成了 COB 设计的考验。不经风雨，怎见彩虹，我们有前面十年的摸索经验，深耕COB封装，兼顾客户的需求，不断研究新材料在COB 设计上的应该，最终选择最合适的封装胶，增加了COB的胶水硬度，可以降低COB在运输及使用过程中造成的断线比例。

随着COB的应用及灯具设计的发展，涌现了大量的COB holder，即COB 连接器，常见的如BJB 、Molex的Vero SE，Vero，Vesta 系列，国内也有大量的公模设计，这些连接器的出现，使COB更方便的固定到散热器底座，也更好的进行热传导。如下图2 不同COB 固定方式受热应力的分析对比可得出， 1.螺丝方式因应力无法整体释放而产生形变，使得中心与散热器的间隙变大而造成中心与边缘的温差加大。 2.固定方式需考虑因热应力造成的形变，避免局部热应力使得基板发生变形。

COB 连接器的产生不是意外，而且将成为一个独特的产业配套。COB的推广受益于连接器的产生，同时COB的设计也一定程度上受限与连接器的尺寸。COB与连接器需兼容搭配，相辅相成，既能使用公模连接器提高性价比，又能充分发挥COB设计的多样性。

图2 不同COB 固定方式受热应力分析对比

工艺改善

采用COB技术的LED光源，芯片直接散热到基板，承受热功率密度高；芯片密集排列，光功率密度高；单一发光体尺寸小，非常适合于对光源尺寸有严格要求的商业照明领域。同时商业照明对于光色一致性要求极高，即统一区域内灯具间不允许有明显的视觉差异，而这就要求COB 在生产过程中落点尽量集中，也就是我们所谓的1 Step，2 Step 的落bin 率，我们通过不同工艺对比验证发现，改善的工艺可以明显提升1 Step的良率，参考图3。因此在COB 产品设计中，工艺选择，工艺改善提升COB 性价比的重要因素。

图3 不同工艺1 Step 良率对比图

结论

近年来COB封装取得了长足的发展，产品在市场上占有了一定份额。只有在产品设计优化不断提升COB的性能，从COB光效，光色，热学等方面不断优化设计，同时，兼容市场的应用，提升生产良率，自动化生产等措施降低成本和应用总成本，不断提升COB产品的性价比，COB产品将会成为LED封装领域王冠上璀璨的明珠。

参考文献

[1] 李炳乾：COB光源的发展趋势 阿拉丁照明网 2022-09-05

[2] 半导体照明技术 方志烈 电子工业出版社

[3] COB封装技术 半导体封装工程师之家

[4] 章道波，大功率固态照明热处理技术的进展.照明与技术管理，2004（04）