高亮度LED照明系統(tǒng)的熱管理問題

LED照明有著許多傳統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)缺乏、價(jià)格昂貴等一系列問題困擾著LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是高亮度LED照明系統(tǒng)中的熱管理問題。本文針對(duì)LED照明系統(tǒng)的可靠性、失效模態(tài)問題做了簡(jiǎn)單介紹，同時(shí)也介紹了一些新的可用于LED照明系統(tǒng)的散熱方法。

　　可靠性試驗(yàn)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(jié)構(gòu)以及工藝過(guò)程(如表1)。LED在實(shí)際使用中，由于復(fù)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(yīng)力所引起的芯片和硅膠的分層或金線斷裂等等，從而影響LED發(fā)光甚至導(dǎo)致整個(gè)LED的失效。而且LED產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致芯片的發(fā)光效率降低，光衰加快、色移等嚴(yán)重后果。

　　由于LED壽命長(zhǎng)，通常采取加速環(huán)境試驗(yàn)的方法進(jìn)行可靠性測(cè)試與評(píng)估。加速度測(cè)試將會(huì)模仿燈具的應(yīng)用條件或用戶要求，這樣可以更有效地研究各種破壞機(jī)理，提供大量數(shù)據(jù)去研究LED的結(jié)構(gòu)、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(yàn)(如表2)。

　　然而，加速老化試驗(yàn)只是研究問題的一個(gè)方面，對(duì)LED壽命的預(yù)測(cè)機(jī)理和方法的研究仍是有待研究的難題?，F(xiàn)在的LED技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。企業(yè)的目標(biāo)主要是保證產(chǎn)品長(zhǎng)期的可靠性，例如，根據(jù)產(chǎn)品不同，LED應(yīng)用的范圍壽命從7000小時(shí)到50000～100000小時(shí)不等。這對(duì)于一個(gè)電子企業(yè)是有相當(dāng)挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗麄兊碾娮赢a(chǎn)品現(xiàn)在只有2-3年壽命。對(duì)于50000～100000小時(shí)的SSL系統(tǒng)(包括電源驅(qū)動(dòng))，有必要進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，以符合產(chǎn)品的高要求。

　　目前，如何通過(guò)加速老化試驗(yàn)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)LED產(chǎn)品的可靠性還是相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的。對(duì)于LED產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性，應(yīng)當(dāng)關(guān)注如何建立用加速試驗(yàn)來(lái)反映產(chǎn)品中出現(xiàn)的問題。對(duì)于了解和預(yù)測(cè)宏觀系統(tǒng)的可靠性，可測(cè)性非常具有挑戰(zhàn)性，主要是因?yàn)榭煽啃允且粋€(gè)多學(xué)科的問題，并且涉及到材料、設(shè)計(jì)、制造工藝、試驗(yàn)和應(yīng)用條件。因此，有必要開發(fā)LED燈和燈具的加速試驗(yàn)以及戶外照明燈具性能測(cè)試試驗(yàn)，從而可以有效地研究關(guān)于LED的各種破壞機(jī)理。

　　據(jù)悉，飛利浦公司目前致力于研究可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，從而深入了解LED以及電源驅(qū)動(dòng)的失效機(jī)理。有理由相信，在不遠(yuǎn)的將來(lái)將會(huì)有快速的、可靠的、適合于長(zhǎng)壽命的LED照明系統(tǒng)的可靠性測(cè)試實(shí)驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)。

　　LED照明系統(tǒng)的熱管理

　　高亮度LED的亮度會(huì)隨著芯片的結(jié)溫成指數(shù)遞減。因此，良好的散熱管理是LED固態(tài)照明系統(tǒng)向大功率發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。LED固態(tài)照明系統(tǒng)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(dǎo)熱經(jīng)過(guò)多層不同材料組成的封裝系統(tǒng)傳導(dǎo)到熱阱，再由對(duì)流傳熱散到環(huán)境中。LED的熱管理應(yīng)該包括芯片優(yōu)化的布局設(shè)計(jì)，封裝材料(基板材料，熱界面材料)、封裝工藝和熱井的設(shè)計(jì)等方面。

　　仿真技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)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(shù)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(jié)果有助于預(yù)測(cè)器件內(nèi)部溫度或濕度的分布。根據(jù)仿真結(jié)果，可以對(duì)產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化從而改善整個(gè)系統(tǒng)的性能，在一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)合理的范圍里搭建試驗(yàn)車，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

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