高亮度LED的可靠性以及热管理研究

1、高亮度LED的可靠性以及热管理研究    LED照明有着许多传统光源无可比拟的优点和广阔的市场前景。但是目前可靠性差、相关标准缺乏、价格昂贵等一系列问题困扰着LED照明产业的发展，特别是高亮度LED照明系统中的热管理问题。本文针对LED照明系统的可靠性、失效模态问题做了简单介绍，同时也介绍了一些新的可用于LED照明系统的散热方法。可靠性试验以及失效模态LED模组和灯具的典型失效模式包含了不同层次的失效模式，涉及到LED封装结构以及工艺过程(如表1)。LED在实际使用中，由于复杂的环境以及封装工艺局限性从而使封装材料退化、荧光粉退化、金属电迁移、局部温度过

2、高产生的热应力所引起的芯片和硅胶的分层或金线断裂等等，从而影响LED发光甚至导致整个LED的失效。而且LED产生的高温会导致芯片的发光效率降低，光衰加快、色移等严重后果。由于LED寿命长，通常采取加速环境试验的方法进行可靠性测试与评估。加速度测试将会模仿灯具的应用条件或用户要求，这样可以更有效地研究各种破坏机理，提供大量数据去研究LED的结构、材料、工艺从而更好完善LED产品。一些典型的加速可靠性试验(如表2)。然而，加速老化试验只是研究问题的一个方面，对LED寿命的预测机理和方法的研究仍是有待研究的难题。现在的LED技术面临着巨大的挑战和机遇。企业的目标主要是保证产品长期的可靠性，例如，根据

3、产品不同，LED应用的范围寿命从7000小时到50000100000小时不等。这对于一个电子企业是有相当挑战性的，因为他们的电子产品现在只有2-3年寿命。对于50000100000小时的SSL系统(包括电源驱动)，有必要进行可靠性设计，以符合产品的高要求。目前，如何通过加速老化试验准确地预测LED产品的可靠性还是相当有挑战性的。对于LED产品的长期可靠性，应当关注如何建立用加速试验来反映产品中出现的问题。对于了解和预测宏观系统的可靠性，可测性非常具有挑战性，主要是因为可靠性是一个多学科的问题，并且涉及到材料、设计、制造工艺、试验和应用条件。因此，有必要开发LED灯和灯具的加速试验以及户外照明灯

4、具性能测试试验，从而可以有效地研究关于LED的各种破坏机理。据悉，飞利浦公司目前致力于研究可靠性测试标准，从而深入了解LED以及电源驱动的失效机理。有理由相信，在不远的将来将会有快速的、可靠的、适合于长寿命的LED照明系统的可靠性测试实验及标准。LED照明系统的热管理高亮度LED的亮度会随着芯片的结温成指数递减。因此，良好的散热管理是LED固态照明系统向大功率发展的一个关键因素。LED固态照明系统的散热与微电子封装的散热一样，器件工作产生的热量，首先由导热经过多层不同材料组成的封装系统传导到热阱，再由对流传热散到环境中。LED的热管理应该包括芯片优化的布局设计，封装材料(基板材料，热界面材料)

5、、封装工艺和热井的设计等方面。 仿真技术已经普遍应用于电子封装，如热分别、湿气以及分层等。这些模拟可以提供参数以更好了解不同条件下的LED性能。图1和图2分别给出电子器件的温度以及水分含量分布图。这些模拟结果有助于预测器件内部温度或湿度的分布。根据仿真结果，可以对产品的材料和结构进行优化从而改善整个系统的性能，在一个比较经济合理的范围里搭建试验车，大大缩短产品开发周期。 对于高亮度LED，材料界面热阻是芯片到冷却系统的瓶颈。由于传统的热界面材料的导热系数相对较低，现在出现了新型的高热导的基于碳纳米管的热界面材料。据了解，和其他的热界面材料相比，碳纳米管热界面材料可以更好的降

6、低界面热阻。优化后的碳纳米管阵列热阻低至7mm2·K/W。此外，据验证了碳纳米管热界面材料可以大大提高高亮度LED的光输出功率。除了热界面外，主动散热系统已越来越受企业的欢迎。图3给出了SynJet主动散热模块，它可以产生脉动空气，从而可以把LED灯内部的热直接带到外面。据了解，SynJet技术可以帮助设计师解决一些产品的散热问题，如电脑产品，特别是高可靠性的LED产品。该技术有高散热效率、低噪音、高可靠性和低功耗等优点。 另一种主动冷却系统是利用压电驱动而产生脉动空气，如图4所示。该结构简单，由一个PZT膜片和流动通道构成。该流动通道中设计者重点论述了出口和进口通道的设计

7、。这种结构允许每一个振动周期中的流体在管道中的阻力和动力差别。图5显示了一种固态风扇，这是Dan Schlitz和Vishal Singhal经过六年的不断积累所发明的成果。他们曾经是美国普渡大学研究人员，现在就职于Thorrn微技术公司。该研究表明它具有超薄风扇的功能但没有任何运动部件。其原理是在空气中微电极靠的很近的时候，空气被电离，由于这些离子的运动而产生动能，从而推动空气产生吹风效果。他们还提到，希望将来该技术在成本上可以接近传统的冷却系统。可以看到新的主动冷却系统正在越来越引起LED研究者的关注，主要因为自然冷却对于LED照明系统中已经远远不够，并且产生许多相关的LED失效问题。对于可靠性要求较高的LED照明系统，有必要发展快速的