高亮度LED照明系统的热管理问题

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，根据产品不同，LED应用的范围寿命从7000小时到50000～100000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50000～100000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)、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。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、可靠的以及低成本的LED可靠性检测方法。另一方面，应不断发展新的科技提高LED照明系统的质量，包括工艺、材料以及仿真方法。
   　　不断发展可靠性测试方法，可以更好的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。