大功率LED灯具可靠性分析

【摘要】分析了影响大功率LED 灯具可靠性的主要因素，如LED光源、驱动电源、散热系统等，并给出了相应的解决措施，提出了界面层裂对大功率LED可靠性的影响，对大功率LED 灯具可靠性的提高有较大的意义。

【关键词】LED灯具；可靠性；驱动电源；散热系统；界面层裂

1.引言

大功率LED作为照明光源，有节能环保、寿命长、体积小、发热小、响应速度快、安全低电压、耐候性好、方向性好等优点。目前，半导体照明是国家重点扶持的新兴产业，大功率LED是半导体照明的关键器件，LED照明正逐步取代传统照明技术，而最终能否实现半导体照明的普及，取决于大功率LED光效和可靠性问题的解决，可靠性是评价LED灯具质量的一个重要指标，对大功率LED灯具可靠性的研究，具有非常重要的意义。

2.影响大功率LED灯具可靠性的主要因素

可靠性指产品在规定的时间和条件下，完成正常规定功能的能力或概率。对于LED而言，要求其能在给定的工作条件下发射出一定量的光，但LED灯具的亮度，会随着工作时间的增加而衰减，其可靠性的高低，一般表现为工作条件下寿命的长短，通常定义LED光输出量衰减到初期值的 50%或 70%时的时间为LED的寿命[1]。

2.1LED光源

LED光源潜在的失效机理，主要有以下几种：

其一，芯片失效，即LED芯片本身失效或其他因素造成的芯片失效，从而导致LED直接失效；其二，封装失效，例如封装材料不良引起：环氧树脂、导电胶、硅胶、荧光粉、基座、固晶材料等；封装结构设计不合理，如材料不匹配、产生应力、引起断裂、开路等；封装工艺不合适，如装片、压焊、点胶工艺、固化温度及时间等；其三，电应力失效，即承受了超过额度的电参数条件或过高的瞬态电流而引发的LED失效，其产生的冲击有可能直接损坏芯片，或造成金线熔断等现象，致使LED失效；其四，热应力失效，即周期性热量变化或 LED内部温度超过最大额定值而引发的失效，热过应力产生的高温，会降低芯片发光效率，产生光衰加快、色移等严重后果，在LED 可靠性中，需重点关注此问题；其五，实际使用过程中，装配不当也会引发LED失效[2]。

要提高大功率LED灯具的可靠性，就必须采取相应的措施，使LED灯具尽可能消除或减少上述因素的影响。例如：改进封装设计、采用新型的封装材料、开发新的荧光粉和涂敷工艺、降低结温，以及进行静电防护等。为提高器件封装可靠性，在原材料选用方面要严格控制材料的质量，在封装结构上除了考虑出光效率和散热外，还要考虑多种材料结合在一起时的热涨匹配问题。在封装工艺上，要严格控制每道工序的工艺流程，尽量采用自动化设备、确保工艺的一致性及重复性，保障LED器件性能和可靠性指标。

2.2驱动电源

除LED光源外，驱动电源也是影响大功率LED灯具可靠性的重要因素。体积越来越小、高效率、高可靠性、对调光与非调光广泛的应用兼容性、无光耦等，成为了LED照明驱动电源的市场需求趋势。

大功率LED灯具对电源驱动的技术要求体现为：电路工作要高可靠性、高效率、高功率因素、合理的驱动方式、浪涌保护（LED抗浪涌的能力较差，尤其是抗反向电压能力）、保护功能（电源除一般保护功能外，最好在横流输出中增加LED温度负反馈功能，防止LED温度过高；在驱动电路有故障、LED短路或开路时，电路能对LED和自身起到很好的保护作用）、防护措施（如户外安装的灯具，其结构上要防潮湿、防水，外壳能耐高低温骤变）、驱动电源寿命与LED寿命能相匹配等[3]。

为提高驱动电源模块质量，确保LED灯具的可靠性，建议采取下列措施：

（1）电源模块选用品质好的电子元器件。（2）合理设计整体线路，包含电源变换、驱动电路、控制电路和保护电路等。（3）选择合适的保护电路，要保护模块性能质量，并且成本不能大幅增加。

2.3散热系统

大功率LED灯具由LED光源、驱动电源、散热结构及透镜等组成，因此散热也是一个重要的部分，如果不能很好散热、它的寿命会受影响，灯具的可靠性，很大程度上取决于散热水平，与LED散热相关的主要参数有结温、热阻和温升等。

LED照明灯具发光后产生的热量，主要通过LED基板和安装在LED上的散热装置散发出去，良好的散热设计可以大幅度延长 LED灯具的使用寿命。大功率LED散热一般可分为一次封装散热和二次热沉散热，前者指通过改善LED自身封装材料和优化封装结构进行散热，后者指通过设计开发散热器对LED进行热控制。

可见，解决散热问题的方法主要有两种：其一，改善灯具内部 LED芯片的质量，工作电流不变的情况下，使芯片发光的内量子效率提高，进而使芯片发光效率提高；其二，对灯具外部的散热设计进行改进，配置较为合理的散热装置，以达到加快散热的目的。在LED灯具中，需要使用散热片来控制LED芯片的温度，特别是结温，要低于LED芯片正常工作的安全结温，从而提高LED芯片的可靠性[4]。在封装散热设计方面，目前主要是硅基倒装芯片结构、金属电路板结构散热，以及环氧树脂和固晶材料等散热；在系统级散热方面，主要是热管散热、风冷强制散热和热电制冷散热等方法[5]。

2.4使用环境

除上述影响LED灯具可靠性的因素外，使用环境也会影响LED灯具可靠性，如在不同环境下，透镜变形、受损，使得LED灯具寿命缩短；另外，灰尘和潮湿等对LED灯具影响也较大，因此，为提高其寿命，就要做好相应防护措施，使用环境不同，技术要求也不同，需及时做好防尘、防潮、防磁和防雷击等措施。

3.界面层裂对大功率LED灯具可靠性的影响

环氧树脂是LED的主要封装材料，具有优良的电绝缘性能，但其缺点不容忽视，例如，易吸潮、易老化、耐热性差，并且在高温和短波光照下易变色，因而对LED的寿命影响较大。当芯片温度过高时，环氧树脂温度接近芯片结温，此时环氧树脂的CTE（热膨胀系数）会发生剧烈变化，此时产生的内部应力和水分的蒸气压力，很可能大于封装树脂与芯片、固晶胶和框架表面间的粘接力，导致它们的界面间出现剥离现象，甚至还会导致封装树脂或芯片出现裂纹[6-7]，使得光衰现象严重。

综合现有文献，笔者发现，在电子封装中，对界面层裂的研究比较多，对于LED，目前国内外研究的主要问题集中在封装和系统级的热管理技术，较少考虑界面层裂对LED可靠性的影响，特别是界面层裂的程度对热阻、光衰等影响还不完全清楚。因此，对LED进行界面层裂的研究分析有重要意义。

为此，笔者将主要围绕大功率LED模组的界面层裂及对可靠性的影响进行研究分析，主要内容如下：

（1）对大功率LED模组的界面层裂所涉及的基本力学理论和热学理论进行分析。

（2）实验测试分析不同的热界面层裂情况对LED热性能的影响规律。

（3）建立有限元分析模型，研究分析界面层裂对热-机械可靠性的影响。利用有限元软件，以大功率LED为研究对象，建立有限元模型；采用有限元法分析界面层裂对LED热阻的影响，分析散热不良导致结温过高从而对LED寿命造成的影响；研究分析大功率LED模组在热环境下由于界面层裂对LED的应力分布及可靠性造成的影响。

（4）对有限元仿真和实验结果进行对比分析，完善有限元模型。在此基础上，对LED模组的封装结构提出优化设计。

通过实验和有限元仿真，研究界面层裂情况对大功率LED模组的热-机械可靠性的影响，探讨LED退化和失效机理，通过热-机械耦合，分析界面层裂对界面热阻的影响规律，相信能得出一些新颖、实用的结果。

4.小结

通过对大功率LED灯具的相关研究，分析了LED光源、驱动电源、散热情况、使用环境等对大功率LED灯具可靠性的影响，列出了相应的解决措施，对灯具可靠性的提高有较大的意义，最后，提出了界面层裂对大功率LED灯具可靠性的影响，相信通过实验和有限元仿真，能得出一些新颖的结果，对提高大功率LED灯具的寿命提供一些实用的参考意见。

参考文献

[1]Shinya Ishizaki.大功率白光LED的寿命测定[J].中国照明电器，2008，1：39-44.

[2]赵阿玲等.大功率白光LED寿命试验及失效分析[J].照明工程学报，2010，21（1）：51-52.

[3]公文礼.大功率LED灯具电源驱动的分析与研究[J].灯与照明，2009，33（4）：29-30.

[4]杨广华等.基于LED照明灯具的散热片设计与分析[J].电子与封装，2010，10（1）：39-41.

[5]魏娇.LED 灯具的可靠性分析[J].电子世界，2014，（17）：77

[6]Hyunsoo Kim，Ji-Myon Lee，Chul Huh，etal.Reliability and Modeling of GaN-based Light Emitting Diode，2000 Device Research Conference，IEEE，2000：73-74.

[7]G.Meneghesso，S.Levada，R.Pierobon，etal.Degradation mechanisms of GaN-based LEDs after accelerated DC current aging，IEEE，2002：103-106.