道路照明用高效LED的可靠性研究

1. 引言

近年來(lái)，在戶外照明領(lǐng)域，新型LED路燈正引起眾多產(chǎn)業(yè)界和投資者的關(guān)注，全國(guó)有數(shù)百家企業(yè)推出了各自的LED路燈產(chǎn)品，幾乎各個(gè)城市都有或多或少的LED路燈已經(jīng)安裝到城市的干道上。然而在眾多的產(chǎn)品序列中，良莠不齊，一些產(chǎn)品仍欠完善，其中問(wèn)題最大的是LED路燈的整體可靠性。LED道路照明系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)照明燈具，相對(duì)要復(fù)雜得多，影響整體可靠性的因素也多。參見(jiàn)圖（1）。

在研究其系統(tǒng)可靠性時(shí)必須考慮其固有的特點(diǎn)。

1）光源模塊本身的技術(shù)指標(biāo)受多種因素的制約

2）光源模塊的參數(shù)離散性很大

3）器件可靠性對(duì)散熱的依賴性極大

4）LED的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)壽命遠(yuǎn)落后于LED光源

在眾多因素中，LED發(fā)光器件本身的性能指標(biāo)無(wú)疑是決定燈具光效、壽命等性能的最主要部件，也是目前最受人關(guān)注的研究方面。

為了改進(jìn)性能和提高可靠性，我們對(duì)影響LED發(fā)光器件可靠性的主要因素進(jìn)行分析研究，初步探討了LED光源的失效機(jī)理。

2. LED芯片的固晶熱阻分析

固晶熱阻是芯片與基座間的固晶層引入的熱阻，對(duì)芯片的散熱效果有很大影響，是總的封裝熱阻的主要組成部分，目前對(duì)不同材料的固晶熱阻的分析一直停留在數(shù)值仿真階段?，F(xiàn)有的熱阻測(cè)試設(shè)備并無(wú)法區(qū)分各部分引入的熱阻，而實(shí)際工藝中往往需要對(duì)固晶熱阻進(jìn)行評(píng)價(jià)，為此，我們從前向電壓法出發(fā)研制的動(dòng)態(tài)結(jié)溫測(cè)試方法，能有效地分析固晶層熱阻的新方法。

目前遇到的很多類固晶材料，這些材料的熱導(dǎo)率從0.2~60 W/K·m不等，使用不同材料封裝時(shí)引入的固晶熱阻不同，為了研究固晶熱阻隨熱導(dǎo)率的變化關(guān)系，我們對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單模型內(nèi)的固晶熱阻做了數(shù)值仿真分析，忽略芯片自身的溫度梯度，結(jié)構(gòu)為1x1x0.1mm的1W LED芯片固晶于30x30x5mm的鋁基板上，環(huán)境溫度為20℃，固晶層厚25μm。固晶材料熱導(dǎo)率為18W/K.m時(shí)，通過(guò)專業(yè)熱仿真軟件仿真得到芯片及基板局部溫度分布如圖2所示，芯片溫度為54.06℃，基板溫度為52.77℃，此時(shí)固晶熱阻為1.29 K/W。設(shè)置固晶層材料熱導(dǎo)率從2~60 W/K.m 變化，仿真得到固晶熱阻如圖3中曲線變化。

圖 2 熱仿真溫度分布圖

圖（3） 固晶熱阻隨固晶材料熱導(dǎo)率的變化（固晶層厚25微米）

可以看到固晶熱阻與固晶材料的導(dǎo)熱率有關(guān)，固晶層厚度為25微米時(shí)，固晶材料的熱導(dǎo)率增大時(shí)固晶熱阻不斷減小，在材料熱導(dǎo)率達(dá)到22 以上時(shí)，熱阻小于1 ，之后熱阻隨材料熱導(dǎo)率的增加變化不如前期明顯。

然而在實(shí)際的封裝參數(shù)測(cè)試中，會(huì)發(fā)現(xiàn)期間的封裝熱阻比理論計(jì)算值要大許多，這其中的原因一是固晶材料的導(dǎo)熱率實(shí)際值與廠家給出的額定值有偏差，例如用銀膠固晶，此偏差與銀膠材料的保存、涂覆、固化工藝有關(guān)。另一原因是固晶厚度的控制遠(yuǎn)非理想情況。一般來(lái)講，固晶熱阻與固晶層厚度成正比關(guān)系，因此基座材料的表面平整度，膠體固化后內(nèi)部的微氣泡、雜質(zhì)，厚度的偏離多會(huì)造成固晶熱阻的上升。

為考察實(shí)際固晶層的質(zhì)量，對(duì)一批相同工藝、相同材料封裝、不同熱阻參數(shù)的LED器件解剖分析。圖5和圖6是其剖面圖，銀膠的導(dǎo)熱率約為12 。由圖可見(jiàn)固晶層的實(shí)際厚度在同一批次的產(chǎn)品中都會(huì)有不同的數(shù)值，且差距不小。