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)光源無可比擬的優(yōu)點和廣闊的市場前景。但是目前可靠性差、相關標準缺乏、價格昂貴等一系列問題困擾著LED照明產業(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LED照明系統(tǒng)的可靠性、失效模態(tài)問題做了簡單介紹，同時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程(如表1)。LED在實際使用中，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、局部溫度過高產生的熱應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)光甚至導致整個LED的失效。而且LED產生的高溫會導致芯片的發(fā)光效率降低，光衰加快、色移等嚴重后果。

　　由于LED壽命長，通常采取加速環(huán)境試驗的方法進行可靠性測試與評估。加速度測試將會模仿燈具的應用條件或用戶要求，這樣可以更有效地研究各種破壞機理，提供大量數(shù)據(jù)去研究LED的結構、材料、工藝從而更好完善LED產品。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題的一個方面，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(xiàn)在的LED技術面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機遇。企業(yè)的目標主要是保證產品長期的可靠性，例如，根據(jù)產品不同，LED應用的范圍壽命從7000小時到50000～100000小時不等。這對于一個電子企業(yè)是有相當挑戰(zhàn)性的，因為他們的電子產品現(xiàn)在只有2-3年壽命。對于50000～100000小時的SSL系統(tǒng)(包括電源驅動)，有必要進行可靠性設計，以符合產品的高要求。

　　目前，如何通過加速老化試驗準確地預測LED產品的可靠性還是相當有挑戰(zhàn)性的。對于LED產品的長期可靠性，應當關注如何建立用加速試驗來反映產品中出現(xiàn)的問題。對于了解和預測宏觀系統(tǒng)的可靠性，可測性非常具有挑戰(zhàn)性，主要是因為可靠性是一個多學科的問題，并且涉及到材料、設計、制造工藝、試驗和應用條件。因此，有必要開發(fā)LED燈和燈具的加速試驗以及戶外照明燈具性能測試試驗，從而可以有效地研究關于LED的各種破壞機理。

　　據(jù)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以及電源驅動的失效機理。有理由相信，在不遠的將來將會有快速的、可靠的、適合于長壽命的LED照明系統(tǒng)的可靠性測試實驗及標準。

　　LED照明系統(tǒng)的熱管理

　　高亮度LED的亮度會隨著芯片的結溫成指數(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)展的一個關鍵因素。LED固態(tài)照明系統(tǒng)的散熱與微電子封裝的散熱一樣，器件工作產生的熱量，首先由導熱經(jīng)過多層不同材料組成的封裝系統(tǒng)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(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。這些模擬結果有助于預測器件內部溫度或濕度的分布。根據(jù)仿真結果，可以對產品的材料和結構進行優(yōu)化從而改善整個系統(tǒng)的性能，在一個比較經(jīng)濟合理的范圍里搭建試驗車，大大縮短產品開發(fā)周期。

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