高亮度LED照明系統的熱管理問(wèn)題

LED照明有著(zhù)許多傳統光源無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)和廣闊的市場(chǎng)前景。但是目前可靠性差、相關(guān)標準缺乏、價(jià)格昂貴等一系列問(wèn)題困擾著(zhù)LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是高亮度LED照明系統中的熱管理問(wèn)題。本文針對LED照明系統的可靠性、失效模態(tài)問(wèn)題做了簡(jiǎn)單介紹，同時(shí)也介紹了一些新的可用于LED照明系統的散熱方法。

　　可靠性試驗以及失效模態(tài)

　　LED模組和燈具的典型失效模式包含了不同層次的失效模式，涉及到LED封裝結構以及工藝過(guò)程(如表1)。LED在實(shí)際使用中，由于復雜的環(huán)境以及封裝工藝局限性從而使封裝材料退化、熒光粉退化、金屬電遷移、局部溫度過(guò)高產(chǎn)生的熱應力所引起的芯片和硅膠的分層或金線(xiàn)斷裂等等，從而影響LED發(fā)光甚至導致整個(gè)LED的失效。而且LED產(chǎn)生的高溫會(huì )導致芯片的發(fā)光效率降低，光衰加快、色移等嚴重后果。

　　由于LED壽命長(cháng)，通常采取加速環(huán)境試驗的方法進(jìn)行可靠性測試與評估。加速度測試將會(huì )模仿燈具的應用條件或用戶(hù)要求，這樣可以更有效地研究各種破壞機理，提供大量數據去研究LED的結構、材料、工藝從而更好完善LED產(chǎn)品。一些典型的加速可靠性試驗(如表2)。

　　然而，加速老化試驗只是研究問(wèn)題的一個(gè)方面，對LED壽命的預測機理和方法的研究仍是有待研究的難題?，F在的LED技術(shù)面臨著(zhù)巨大的挑戰和機遇。企業(yè)的目標主要是保證產(chǎn)品長(cháng)期的可靠性，例如，根據產(chǎn)品不同，LED應用的范圍壽命從7000小時(shí)到50000～100000小時(shí)不等。這對于一個(gè)電子企業(yè)是有相當挑戰性的，因為他們的電子產(chǎn)品現在只有2-3年壽命。對于50000～100000小時(shí)的SSL系統(包括電源驅動(dòng))，有必要進(jìn)行可靠性設計，以符合產(chǎn)品的高要求。

　　目前，如何通過(guò)加速老化試驗準確地預測LED產(chǎn)品的可靠性還是相當有挑戰性的。對于LED產(chǎn)品的長(cháng)期可靠性，應當關(guān)注如何建立用加速試驗來(lái)反映產(chǎn)品中出現的問(wèn)題。對于了解和預測宏觀(guān)系統的可靠性，可測性非常具有挑戰性，主要是因為可靠性是一個(gè)多學(xué)科的問(wèn)題，并且涉及到材料、設計、制造工藝、試驗和應用條件。因此，有必要開(kāi)發(fā)LED燈和燈具的加速試驗以及戶(hù)外照明燈具性能測試試驗，從而可以有效地研究關(guān)于LED的各種破壞機理。

　　據悉，飛利浦公司目前致力于研究可靠性測試標準，從而深入了解LED以及電源驅動(dòng)的失效機理。有理由相信，在不遠的將來(lái)將會(huì )有快速的、可靠的、適合于長(cháng)壽命的LED照明系統的可靠性測試實(shí)驗及標準。

　　LED照明系統的熱管理

　　高亮度LED的亮度會(huì )隨著(zhù)芯片的結溫成指數遞減。因此，良好的散熱管理是LED固態(tài)照明系統向大功率發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。LED固態(tài)照明系統的散熱與微電子封裝的散熱一樣，器件工作產(chǎn)生的熱量，首先由導熱經(jīng)過(guò)多層不同材料組成的封裝系統傳導到熱阱，再由對流傳熱散到環(huán)境中。LED的熱管理應該包括芯片優(yōu)化的布局設計，封裝材料(基板材料，熱界面材料)、封裝工藝和熱井的設計等方面。

　　仿真技術(shù)已經(jīng)普遍應用于電子封裝，如熱分別、濕氣以及分層等。這些模擬可以提供參數以更好了解不同條件下的LED性能。圖1和圖2分別給出電子器件的溫度以及水分含量分布圖。這些模擬結果有助于預測器件內部溫度或濕度的分布。根據仿真結果，可以對產(chǎn)品的材料和結構進(jìn)行優(yōu)化從而改善整個(gè)系統的性能，在一個(gè)比較經(jīng)濟合理的范圍里搭建試驗車(chē)，大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

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