从色度学谈大功率LED的可靠性设计[1]

　　1 引言

　　大功率LED 是半导体照明的核心部分。随着半导体照明市场的逐步开发, 照明产品也为越来越多的人所接受, 同时对可靠性提出了越来越高的要求。涉及大功率LED 照明系统可靠性的因素很多。

　　目前, 人们认识上的误区主要是把可靠性完全( 或基本上) 归结于元器件的可靠性和制造装配的工艺, 忽略了系统设计和环境温度对可靠性的决定性的作用。据美国海军电子实验室的统计, 整机出现故障的原因和各自所占的百分比如表1 所示。

　　表1 整机故障原因统计

　　在民用电子产品领域, 日本的统计资料表明,80 %可靠性问题源于设计( 日本把元器件的选型、质量级别的确定、元器件的负荷率等部分也归入设计上的原因) 。以上两方面的数据表明, 设计及元器件( 元器件的选型、质量级别的确定、元器件的负荷率) 的原因造成的故障, 在电子产品故障原因中占80 %左右。

　　由于绝大部分产品都将在复杂的环境下工作,因此, 在进行产品的可靠性设计时, 应该选择对产品影响最大的因素作为主要考虑的因素。如对机械产品可靠性影响最大的是振动、冲击等, 而对电子产品可靠性影响最大的是温度。以设备为例, 造成电子设备故障的4 个主要原因分别为: 温度、振动、潮湿、灰尘。其中温度对电子设备的影响高达60%。

　　由于目前尚无大功率LED 的测试标准, 而国内外生产大功率LED 的公司都以光通量的衰减作为器件可靠性的依据, 对于白光LED 这显然是不合理的, 因为这样就只考虑了光的亮度变化, 没有考虑到颜色色温的变化。事实上, 色度对于大功率白光LED 的可靠性更为重要, LED 随着使用时间的推移, 其光通量会逐渐地变化, 在一定范围内并不妨碍继续使用, 但色度发生变化, 其色温也会发生明显的变化, 这会影响LED 的灯光美观性, 甚至限制其在一些特种行业的使用。本文就与温度有关的因素对大功率LED 的可靠性设计做一研究和阐述。

　　2 设计对产品性能的影响

　　2.1 不同热沉设计对于LED 芯片温度的影响

　　低的热阻设计有利于LED 芯片的热量散失,可以有效保证芯片的寿命。根据热流模型, 芯片的热量能畅通地传到散热底板上, 则热阻越小。下面分析两种不同的热沉形状( A 型、B 型)与热流、热阻的关系如图1- 6 所示。A 型热沉在一定的条件下芯片结点温度为106 ℃, 而B 型热沉在相同的条件下芯片结点的温度为96 ℃, 不同的热沉设计使芯片温度相差10 ℃。造成这一温度差异的原因可从热流矢量图分析得到。凸台外部的环氧玻璃导热率很低, 热流主要的经过路线为铜制的热沉。在图1 中, 由于热沉是由两个凸台构成, 两个凸台在形状上不连续, 进而造成了热流也随着形状的变化出现不连续的情况。

　　而在图2 中, 由于热沉在形状上具有上小下大的特征, 符合热流的传播规律, 热流能很快地散发出去, 所以结点的温度就低。

　　可见, 随着热流连续化, 芯片的温度得到有效的改善。目前有一种衍生的结构, 使LED 下部热沉直接变为一块金属基PCB, PCB 表面根据需要加工成线路, 散热利用金属基板, 结构简单, 已经在实际中得到使用, 这种结构我们称为C 型结构。利用动态电学测试方法测试3 种LED 的热阻,如表2 所示。

　　表2 用动态电学法测试LED 热阻

　　2.2 管脚焊接温度对LED 色差影响分析

　　在350 ℃焊接温度下色坐标的偏移情况, 焊接时间为4 s, 如图7- 9 所示。

　　从测试结果可见, 在焊接状况一定的情况下,LED 焊接后色坐标都会有不同程度的离散。A 型结构的LED 焊接前后色坐标变化较小, B 型和C 型LED 焊接前后色坐标都有一定的变化。

　　造成B 型和C 型LED 焊接后色差偏移较大的原因, 或许是因其底座较薄, 整体热阻较小, 焊接时热冲击对LED 芯片造成了一定程度的损伤的缘故。