道路照明用高效LED的可靠性研究

1. 引言

近年來，在戶外照明領域，新型LED路燈正引起眾多產業界和投資者的關注，全國有數百家企業推出了各自的LED路燈產品，幾乎各個城市都有或多或少的LED路燈已經安裝到城市的干道上。然而在眾多的產品序列中，良莠不齊，一些產品仍欠完善，其中問題最大的是LED路燈的整體可靠性。LED道路照明系統不同于傳統照明燈具，相對要復雜得多，影響整體可靠性的因素也多。參見圖（1）。

在研究其系統可靠性時必須考慮其固有的特點。

1）光源模塊本身的技術指標受多種因素的制約

2）光源模塊的參數離散性很大

3）器件可靠性對散熱的依賴性極大

4）LED的驅動電源設計壽命遠落后于LED光源

在眾多因素中，LED發光器件本身的性能指標無疑是決定燈具光效、壽命等性能的最主要部件，也是目前最受人關注的研究方面。

為了改進性能和提高可靠性，我們對影響LED發光器件可靠性的主要因素進行分析研究，初步探討了LED光源的失效機理。

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，目前對不同材料的固晶熱阻的分析一直停留在數值仿真階段。現有的熱阻測試設備并無法區分各部分引入的熱阻，而實際工藝中往往需要對固晶熱阻進行評價，為此，我們從前向電壓法出發研制的動態結溫測試方法，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，這些材料的熱導率從0.2~60 W/K·m不等，使用不同材料封裝時引入的固晶熱阻不同，為了研究固晶熱阻隨熱導率的變化關系，我們對一個簡單模型內的固晶熱阻做了數值仿真分析，忽略芯片自身的溫度梯度，結構為1x1x0.1mm的1W LED芯片固晶于30x30x5mm的鋁基板上，環境溫度為20℃，固晶層厚25μm。固晶材料熱導率為18W/K.m時，通過專業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℃，此時固晶熱阻為1.29 K/W。設置固晶層材料熱導率從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熱率有關，固晶層厚度為25微米時，固晶材料的熱導率增大時固晶熱阻不斷減小，在材料熱導率達到22 以上時，熱阻小于1 ，之后熱阻隨材料熱導率的增加變化不如前期明顯。

然而在實際的封裝參數測試中，會發現期間的封裝熱阻比理論計算值要大許多，這其中的原因一是固晶材料的導熱率實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。另一原因是固晶厚度的控制遠非理想情況。一般來講，固晶熱阻與固晶層厚度成正比關系，因此基座材料的表面平整度，膠體固化后內部的微氣泡、雜質，厚度的偏離多會造成固晶熱阻的上升。

為考察實際固晶層的質量，對一批相同工藝、相同材料封裝、不同熱阻參數的LED器件解剖分析。圖5和圖6是其剖面圖，銀膠的導熱率約為12 。由圖可見固晶層的實際厚度在同一批次的產品中都會有不同的數值，且差距不小。