LED产品的发热和安全绝缘问题分析[1]

　　引言

　　随着LED 技术快速发展，LED 照明产品，特别是大功率LED 照明产品正在成为新一代光源，但其照明封装和应用方面的问题随之显现出来，其中最为关键的就是如何解决大功率LED 照明发热引起的问题，这不仅与结构设计和工程应用等方面的技术性能问题相关连，也涉及到散热导致安全绝缘问题。

　　1 LED 工作时的发热及散热技术分析

　　为了让LED 发更亮的光而需要输入更高的功率，然而目前高功率LED 的光电转换效率(Wall-Plug-Efficiency; WPE) 值仍然有限，一般仅有约15~25% 的输入功率成为光，其余则会转换成热能。由于LED 晶片面积很小(~1mm2 )，因此使高功率LED单位面积的发热量(发热密度)非常高，甚至较一般的 IC 元件更为严重，也使得LED 晶片的接面温度(Junction Temperature)大为提升，容易造成过热问题。过高的晶片接面温度会使LED的发光亮度降低，其中以红光的衰减最为明显。也会造成LED的波长偏移而影响演色性，更会造成LED 可靠度的大幅降低，如图1 所示，因此散热技术已成为目前LED 技术发展的瓶颈。

　　因此散热设计的挑战较大，必须从晶片层级、封装层级、PCB 层级到系统模组层级，都要非常重视散热设计，并寻求最佳的散热方案。对于LED 照明产品而言，由于系统端的散热限制较大，因此其它层级的散热需求就更明显。对于LED 热传问题，最基本的分析方法就是利用热阻网路进行分析。也就是将LED 由晶片热源到环境温度的主要散热路径建构热阻网路，然后分析各热阻值的特性及大小，如此可以推算理想状况时的晶片温度，并针对热阻网路各部分下对策以降低热阻值。目前在晶片到封装层级性能较佳的散热设计，包括：

　　1.1 共融合金基板及覆晶形式等设计，使热更容易从晶片传到封装中。而增加晶片尺寸以降低发热密度也是可行的方向。各种电路基板的导热特点，见表1。

　　1.2 在封装散热设计技术上，利用高导热金属(Al, Cu……)的散热座。各种材料的导热系数如表2 所示。

　　1.3 高导热陶瓷基板(AlN, SiC⋯.) 等设计则可将晶片的热迅速扩散，有效降低封装热阻值。

　　1.4 在PCB 层级的散热设计上，和传统PCB 不同的地方主要是由于LED 发热密度太大，传统FR4+ 铜箔层的散热能力有限，因此需要藉由较厚的金属层以降低扩散热阻(SpreadingResistance)，此种结构称为MCPCB (Metal Core PCB)。MCPCB 的基本结构包括较厚的金属层、介电层及铜箔层。可将封装的热进一步扩散并迅速传到系统模组的散热元件，以缩小热阻值。

　　1.5 为了降低元件热阻值，目前一些设计采用Chip-onboard的设计，直接将LED 晶片设计在MCPCB 上，而减少封装材料及Solder 界面材料的热阻值，因此提升散热效果，目前许多公司的产品也采用此种设计方式(Lamina Inc., Citizen Inc.,OSRAM Inc, Avago Technologies...)。然而，此种设计增加了光学设计的困难及造成制作可靠度问题，设计上较为复杂。

　　1.6 散热模组的散热设计，由于自然对流散热能力有限，因此由散热模组散到空气中的热阻一般都占了较重的比例。和电子产品不同的是，一般电子产品系统有通风口，因此PCB 可透过对流及辐射传热到空气，而LED 照明产品许多是密闭的，因此限制了元件的散热能力。由于散热模组带走热的能力和散热设计方式有很大关系，如何既符合传统灯具规格，又提升与空气接触面积、提升对流系数或是增加辐射热传效果是主要设计方向。

　　1.7 热管导热。在很多场合需要把LED 所产生的热量以最快的速度传送到散热器，这在采用集成式的单片大功率LED 中尤其重要，因为它的热量很大(功率可达50W-100W)又很集中(有时只有30mm)，这时候可采用热管散热。热管也称为相变导热器，因为在其中的液体从液相变为气相而导热。它的热阻非常小，大约只有0.065℃ /W。

　　2 常见LED 产品的结构、发热和安全绝缘的关系分析

　　为方便替换以及节约成本，一般LED 灯具的外形和传统灯具基本相同，如：类似普通白炽灯E27 或E14 的灯头，与传统荧光灯灯管长度和两端灯头尺寸符合国标规定的外形，这样方便直接替代传统光源，减少或免除对原灯具的改动，这也导致目前市场上几乎所有LED 球泡灯或LED 光管的驱动电源都是内置式的，即驱动电源放置在光源里面，驱动电源和LED 工作时都会产生热量，二者的热量会相互重叠影响，从而使驱动电源和LED 更热，进而影响到驱动电源和LED 的性能和寿命。随着功率增加，LED 所产生电热流之中的废热无法有效散出, 导致发光效率严重下降。

　　对于LED 使用寿命的定义是：当LED 发光效率低于原发光效率之70% 时, 可视为LED 寿命终结。LED 发光效率会随着使用时间及次数而降低, 而过高的接面温度则会加速LED 发光效率衰减，随着芯片技术的日益成熟，单一的LED 芯片输入功率可达到5W，甚至更高，所以防止LED 工作温度过高也越来越显得重要。若不能有效的将芯片热量散出，接踵而来的热效应也会变得越来越明显，使得芯片接面温度升高, 进而直接减少芯片射出的光子能量，降低出光效率。温度的升高也会使得芯片加速老化、光衰、色偏移、发射出的光谱产生红移，色温质量下降。

　　目前，市场上的大功率LED 光源普遍采用“芯片- 铝基板-散热器三层结构模式”，即先将芯片封装在铝基板上形成LED光源模块，然后将光源模块安置在散热器上。且大部分大功率LED 照明光源配件中，绝大部分由金属材料组成，包括铝合金外壳、铝基板等，例如图2 便是一个典型LED 产品的内部结构，我们可以看到灯体从外壳到内部的铝基板，几乎是全金属结构，大量金属的使用增强了LED 光源模块的散热能力。但如果设计、制作工艺、材质采用、电源质量等稍有不慎，这些金属部件很容易导致安全绝缘性能的下降，导致通不过介电强度的测试。在实际应用中，从设计、制作工艺、材质采用、驱动电源质量等方面都可以改善安全绝缘达到标准要求，如，改变LED 芯片的分布位置，增大爬电距离，增厚铝基板绝缘层厚度，选用质量较好的驱动电源，在铝基板外圈增加绝缘圈，在铝基板和外壳之间的接触面增加绝缘散热涂层等等。

　　按照GB 24906-2010《普通照明50V 以上自镇流LED 灯安全要求》的要求，国内额定电压为220V 的LED 产品，在进行潮态试验后，需在灯头和易触及部件间进行电压为4000V 耐压测试，由于LED 照明光源为了散热而往往采用了金属外壳，与采用玻璃、塑料、陶瓷等材质外壳的传统灯具相比，更容易导致击穿。在标准IEC 62560：2011 中也有类似要求，对于额定电压为220V 的LED 产品，需在灯头和易触及部件间进行电压为2920V 的耐压测试。

　　由此可见，LED 灯具比起普通传统灯散热要求高，为提高散热，采用了大量金属件方便散热，但也会使安全绝缘降低。稍有不慎，极易导致LED 灯的介电强度达不到标准要求，而且在实际检测中往往会发现即使通过了介电强度检测，LED 芯片也经常有暗亮的漏电现象，这说明了LED 灯具比起传统普通灯具在安全绝缘方面有更高的要求。因此在设计、工艺、制造上，更要处理好LED 的散热和安全绝缘的关系，两者既是矛盾，也是一个统一协调的关系，必须引起设计者、制造者、使用者足够重视，才能提高LED 灯的效率，增强LED 灯的安全性，LED灯的推广应用才能获得长足进步。