高亮度LED的可靠性以及熱管理研究

　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(guān)標(biāo)準缺乏、價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(jié)構(gòu)以及工藝過程(如表1)。LED在實際使用中，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LED的失效。而且LED產(chǎn)生的高溫會導(dǎo)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(yīng)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(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(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(yù)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(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機遇。企業(yè)的目標(biāo)主要是保證產(chǎn)品長期的可靠性，例如，根據(jù)產(chǎn)品不同，LED應(yīng)用的范圍壽命從7000小時到50000～100000小時不等。這對于一個電子企業(yè)是有相當(dāng)挑戰(zhàn)性的，因為他們的電子產(chǎn)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(qū)動)，有必要進行可靠性設(shè)計，以符合產(chǎn)品的高要求。

　　目前，如何通過加速老化試驗準確地預(yù)測LED產(chǎn)品的可靠性還是相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的。對于LED產(chǎn)品的長期可靠性，應(yīng)當(dāng)關(guān)注如何建立用加速試驗來反映產(chǎn)品中出現(xiàn)的問題。對于了解和預(yù)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(xué)科的問題，并且涉及到材料、設(shè)計、制造工藝、試驗和應(yīng)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(guān)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(biāo)準，從而深入了解LED以及電源驅(qū)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(biāo)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(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)過多層不同材料組成的封裝系統(tǒng)傳導(dǎo)到熱阱，再由對流傳熱散到環(huán)境中。LED的熱管理應(yīng)該包括芯片優(yōu)化的布局設(shè)計，封裝材料(基板材料，熱界面材料)、封裝工藝和熱井的設(shè)計等方面。
 

　　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)測器件內(nèi)部溫度或濕度的分布。根據(jù)仿真結(jié)果，可以對產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)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(chǎn)品開發(fā)周期。

　　
　　對于高亮度LED，材料界面熱阻是芯片到冷卻系統(tǒng)的瓶頸。由于傳統(tǒng)的熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)相對較低，現(xiàn)在出現(xiàn)了新型的高熱導(dǎo)的基于碳納米管的熱界面材料。據(jù)了解，和其他的熱界面材料相比，碳納米管熱界面材料可以更好的降低界面熱阻。優(yōu)化后的碳納米管陣列熱阻低至7mm2·K/W。此外，據(jù)驗證了碳納米管熱界面材料可以大大提高高亮度LED的光輸出功率。
　　除了熱界面外，主動散熱系統(tǒng)已越來越受企業(yè)的歡迎。圖3給出了SynJet主動散熱模塊，它可以產(chǎn)生脈動空氣，從而可以把LED燈內(nèi)部的熱直接帶到外面。據(jù)了解，SynJet技術(shù)可以幫助設(shè)計師解決一些產(chǎn)品的散熱問題，如電腦產(chǎn)品，特別是高可靠性的LED產(chǎn)品。該技術(shù)有高散熱效率、低噪音、高可靠性和低功耗等優(yōu)點。
 

　　
　　另一種主動冷卻系統(tǒng)是利用壓電驅(qū)動而產(chǎn)生脈動空氣，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)簡單，由一個PZT膜片和流動通道構(gòu)成。該流動通道中設(shè)計者重點論述了出口和進口通道的設(shè)計。這種結(jié)構(gòu)允許每一個振動周期中的流體在管道中的阻力和動力差別。

　　
　　圖5顯示了一種固態(tài)風(fēng)扇，這是Dan Schlitz和Vishal Singhal經(jīng)過六年的不斷積累所發(fā)明的成果。他們曾經(jīng)是美國普渡大學(xué)研究人員，現(xiàn)在就職于Thorrn微技術(shù)公司。該研究表明它具有超薄風(fēng)扇的功能但沒有任何運動部件。其原理是在空氣中微電極靠的很近的時候，空氣被電離，由于這些離子的運動而產(chǎn)生動能，從而推動空氣產(chǎn)生吹風(fēng)效果。他們還提到，希望將來該技術(shù)在成本上可以接近傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)。

　　
　　可以看到新的主動冷卻系統(tǒng)正在越來越引起LED研究者的關(guān)注，主要因為自然冷卻對于LED照明系統(tǒng)中已經(jīng)遠遠不夠，并且產(chǎn)生許多相關(guān)的LED失效問題。

　　對于可靠性要求較高的LED照明系統(tǒng)，有必要發(fā)展快速的、可靠的以及低成本的LED可靠性檢測方法。另一方面，應(yīng)不斷發(fā)展新的科技提高LED照明系統(tǒng)的質(zhì)量，包括工藝、材料以及仿真方法。

　　不斷發(fā)展可靠性測試方法，可以更好的模仿燈具的應(yīng)用條件或用戶要求，這樣可以更有效地研究各種破壞機理。