大功率LED燈具可靠性分析

楊雯

【摘要】分析了影響大功率LED 燈具可靠性的主要因素，如LED光源、驅(qū)動電源、散熱系統(tǒng)等，并給出了相應(yīng)的解決措施，提出了界面層裂對大功率LED可靠性的影響，對大功率LED 燈具可靠性的提高有較大的意義。

【關(guān)鍵詞】LED燈具；可靠性；驅(qū)動電源；散熱系統(tǒng)；界面層裂

1.引言

大功率LED作為照明光源，有節(jié)能環(huán)保、壽命長、體積小、發(fā)熱小、響應(yīng)速度快、安全低電壓、耐候性好、方向性好等優(yōu)點(diǎn)。目前，半導(dǎo)體照明是國家重點(diǎn)扶持的新興產(chǎn)業(yè)，大功率LED是半導(dǎo)體照明的關(guān)鍵器件，LED照明正逐步取代傳統(tǒng)照明技術(shù)，而最終能否實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明的普及，取決于大功率LED光效和可靠性問題的解決，可靠性是評價LED燈具質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，對大功率LED燈具可靠性的研究，具有非常重要的意義。

2.影響大功率LED燈具可靠性的主要因素

可靠性指產(chǎn)品在規(guī)定的時間和條件下，完成正常規(guī)定功能的能力或概率。對于LED而言，要求其能在給定的工作條件下發(fā)射出一定量的光，但LED燈具的亮度，會隨著工作時間的增加而衰減，其可靠性的高低，一般表現(xiàn)為工作條件下壽命的長短，通常定義LED光輸出量衰減到初期值的 50%或 70%時的時間為LED的壽命[1]。

2.1LED光源

LED光源潛在的失效機(jī)理，主要有以下幾種：

其一，芯片失效，即LED芯片本身失效或其他因素造成的芯片失效，從而導(dǎo)致LED直接失效；其二，封裝失效，例如封裝材料不良引起：環(huán)氧樹脂、導(dǎo)電膠、硅膠、熒光粉、基座、固晶材料等；封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，如材料不匹配、產(chǎn)生應(yīng)力、引起斷裂、開路等；封裝工藝不合適，如裝片、壓焊、點(diǎn)膠工藝、固化溫度及時間等；其三，電應(yīng)力失效，即承受了超過額度的電參數(shù)條件或過高的瞬態(tài)電流而引發(fā)的LED失效，其產(chǎn)生的沖擊有可能直接損壞芯片，或造成金線熔斷等現(xiàn)象，致使LED失效；其四，熱應(yīng)力失效，即周期性熱量變化或 LED內(nèi)部溫度超過最大額定值而引發(fā)的失效，熱過應(yīng)力產(chǎn)生的高溫，會降低芯片發(fā)光效率，產(chǎn)生光衰加快、色移等嚴(yán)重后果，在LED 可靠性中，需重點(diǎn)關(guān)注此問題；其五，實(shí)際使用過程中，裝配不當(dāng)也會引發(fā)LED失效[2]。

要提高大功率LED燈具的可靠性，就必須采取相應(yīng)的措施，使LED燈具盡可能消除或減少上述因素的影響。例如：改進(jìn)封裝設(shè)計(jì)、采用新型的封裝材料、開發(fā)新的熒光粉和涂敷工藝、降低結(jié)溫，以及進(jìn)行靜電防護(hù)等。為提高器件封裝可靠性，在原材料選用方面要嚴(yán)格控制材料的質(zhì)量，在封裝結(jié)構(gòu)上除了考慮出光效率和散熱外，還要考慮多種材料結(jié)合在一起時的熱漲匹配問題。在封裝工藝上，要嚴(yán)格控制每道工序的工藝流程，盡量采用自動化設(shè)備、確保工藝的一致性及重復(fù)性，保障LED器件性能和可靠性指標(biāo)。

2.2驅(qū)動電源

除LED光源外，驅(qū)動電源也是影響大功率LED燈具可靠性的重要因素。體積越來越小、高效率、高可靠性、對調(diào)光與非調(diào)光廣泛的應(yīng)用兼容性、無光耦等，成為了LED照明驅(qū)動電源的市場需求趨勢。

大功率LED燈具對電源驅(qū)動的技術(shù)要求體現(xiàn)為：電路工作要高可靠性、高效率、高功率因素、合理的驅(qū)動方式、浪涌保護(hù)（LED抗浪涌的能力較差，尤其是抗反向電壓能力）、保護(hù)功能（電源除一般保護(hù)功能外，最好在橫流輸出中增加LED溫度負(fù)反饋功能，防止LED溫度過高；在驅(qū)動電路有故障、LED短路或開路時，電路能對LED和自身起到很好的保護(hù)作用）、防護(hù)措施（如戶外安裝的燈具，其結(jié)構(gòu)上要防潮濕、防水，外殼能耐高低溫驟變）、驅(qū)動電源壽命與LED壽命能相匹配等[3]。

為提高驅(qū)動電源模塊質(zhì)量，確保LED燈具的可靠性，建議采取下列措施：

（1）電源模塊選用品質(zhì)好的電子元器件。（2）合理設(shè)計(jì)整體線路，包含電源變換、驅(qū)動電路、控制電路和保護(hù)電路等。（3）選擇合適的保護(hù)電路，要保護(hù)模塊性能質(zhì)量，并且成本不能大幅增加。

2.3散熱系統(tǒng)

大功率LED燈具由LED光源、驅(qū)動電源、散熱結(jié)構(gòu)及透鏡等組成，因此散熱也是一個重要的部分，如果不能很好散熱、它的壽命會受影響，燈具的可靠性，很大程度上取決于散熱水平，與LED散熱相關(guān)的主要參數(shù)有結(jié)溫、熱阻和溫升等。

LED照明燈具發(fā)光后產(chǎn)生的熱量，主要通過LED基板和安裝在LED上的散熱裝置散發(fā)出去，良好的散熱設(shè)計(jì)可以大幅度延長 LED燈具的使用壽命。大功率LED散熱一般可分為一次封裝散熱和二次熱沉散熱，前者指通過改善LED自身封裝材料和優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱，后者指通過設(shè)計(jì)開發(fā)散熱器對LED進(jìn)行熱控制。

可見，解決散熱問題的方法主要有兩種：其一，改善燈具內(nèi)部 LED芯片的質(zhì)量，工作電流不變的情況下，使芯片發(fā)光的內(nèi)量子效率提高，進(jìn)而使芯片發(fā)光效率提高；其二，對燈具外部的散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，配置較為合理的散熱裝置，以達(dá)到加快散熱的目的。在LED燈具中，需要使用散熱片來控制LED芯片的溫度，特別是結(jié)溫，要低于LED芯片正常工作的安全結(jié)溫，從而提高LED芯片的可靠性[4]。在封裝散熱設(shè)計(jì)方面，目前主要是硅基倒裝芯片結(jié)構(gòu)、金屬電路板結(jié)構(gòu)散熱，以及環(huán)氧樹脂和固晶材料等散熱；在系統(tǒng)級散熱方面，主要是熱管散熱、風(fēng)冷強(qiáng)制散熱和熱電制冷散熱等方法[5]。

2.4使用環(huán)境

除上述影響LED燈具可靠性的因素外，使用環(huán)境也會影響LED燈具可靠性，如在不同環(huán)境下，透鏡變形、受損，使得LED燈具壽命縮短；另外，灰塵和潮濕等對LED燈具影響也較大，因此，為提高其壽命，就要做好相應(yīng)防護(hù)措施，使用環(huán)境不同，技術(shù)要求也不同，需及時做好防塵、防潮、防磁和防雷擊等措施。

3.界面層裂對大功率LED燈具可靠性的影響

環(huán)氧樹脂是LED的主要封裝材料，具有優(yōu)良的電絕緣性能，但其缺點(diǎn)不容忽視，例如，易吸潮、易老化、耐熱性差，并且在高溫和短波光照下易變色，因而對LED的壽命影響較大。當(dāng)芯片溫度過高時，環(huán)氧樹脂溫度接近芯片結(jié)溫，此時環(huán)氧樹脂的CTE（熱膨脹系數(shù)）會發(fā)生劇烈變化，此時產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力和水分的蒸氣壓力，很可能大于封裝樹脂與芯片、固晶膠和框架表面間的粘接力，導(dǎo)致它們的界面間出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，甚至還會導(dǎo)致封裝樹脂或芯片出現(xiàn)裂紋[6-7]，使得光衰現(xiàn)象嚴(yán)重。

綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)，筆者發(fā)現(xiàn)，在電子封裝中，對界面層裂的研究比較多，對于LED，目前國內(nèi)外研究的主要問題集中在封裝和系統(tǒng)級的熱管理技術(shù)，較少考慮界面層裂對LED可靠性的影響，特別是界面層裂的程度對熱阻、光衰等影響還不完全清楚。因此，對LED進(jìn)行界面層裂的研究分析有重要意義。

為此，筆者將主要圍繞大功率LED模組的界面層裂及對可靠性的影響進(jìn)行研究分析，主要內(nèi)容如下：

（1）對大功率LED模組的界面層裂所涉及的基本力學(xué)理論和熱學(xué)理論進(jìn)行分析。

（2）實(shí)驗(yàn)測試分析不同的熱界面層裂情況對LED熱性能的影響規(guī)律。

（3）建立有限元分析模型，研究分析界面層裂對熱-機(jī)械可靠性的影響。利用有限元軟件，以大功率LED為研究對象，建立有限元模型；采用有限元法分析界面層裂對LED熱阻的影響，分析散熱不良導(dǎo)致結(jié)溫過高從而對LED壽命造成的影響；研究分析大功率LED模組在熱環(huán)境下由于界面層裂對LED的應(yīng)力分布及可靠性造成的影響。

（4）對有限元仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，完善有限元模型。在此基礎(chǔ)上，對LED模組的封裝結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通過實(shí)驗(yàn)和有限元仿真，研究界面層裂情況對大功率LED模組的熱-機(jī)械可靠性的影響，探討LED退化和失效機(jī)理，通過熱-機(jī)械耦合，分析界面層裂對界面熱阻的影響規(guī)律，相信能得出一些新穎、實(shí)用的結(jié)果。

4.小結(jié)

通過對大功率LED燈具的相關(guān)研究，分析了LED光源、驅(qū)動電源、散熱情況、使用環(huán)境等對大功率LED燈具可靠性的影響，列出了相應(yīng)的解決措施，對燈具可靠性的提高有較大的意義，最后，提出了界面層裂對大功率LED燈具可靠性的影響，相信通過實(shí)驗(yàn)和有限元仿真，能得出一些新穎的結(jié)果，對提高大功率LED燈具的壽命提供一些實(shí)用的參考意見。

參考文獻(xiàn)

[1]Shinya Ishizaki.大功率白光LED的壽命測定[J].中國照明電器，2008，1：39-44.

[2]趙阿玲等.大功率白光LED壽命試驗(yàn)及失效分析[J].照明工程學(xué)報(bào)，2010，21（1）：51-52.

[3]公文禮.大功率LED燈具電源驅(qū)動的分析與研究[J].燈與照明，2009，33（4）：29-30.

[4]楊廣華等.基于LED照明燈具的散熱片設(shè)計(jì)與分析[J].電子與封裝，2010，10（1）：39-41.

[5]魏嬌.LED 燈具的可靠性分析[J].電子世界，2014，（17）：77

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