中心議題：
解決方案：
- 利用壓電驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生脈動(dòng)空氣
- 采用主動(dòng)散熱系統(tǒng)
LED照明有著許多傳統(tǒng)光源無可比擬的優(yōu)點(diǎn)和廣闊的市場(chǎng)前景。但是目前可靠性差、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺乏、價(jià)格昂貴等一系列問題困擾著LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是高亮度LED照明系統(tǒng)中的熱管理問題。本文針對(duì)LED照明系統(tǒng)的可靠性、失效模態(tài)問題做了簡(jiǎn)單介紹，同時(shí)也介紹了一些新的可用于LED照明系統(tǒng)的散熱方法。
可靠性試驗(yàn)以及失效模態(tài)
LED模組" title="LED模組">LED模組和燈具" title="燈具">燈具的典型失效模式包含了不同層次的失效模式，涉及到LED封裝結(jié)構(gòu)以及工藝過程(如表1)。LED在實(shí)際使用中，由于復(fù)雜的環(huán)境以及封裝工藝局限性從而使封裝材料退化、熒光粉退化、金屬電遷移、局部溫度過高產(chǎn)生的熱應(yīng)力所引起的芯片和硅膠的分層或金線斷裂等等，從而影響LED發(fā)光甚至導(dǎo)致整個(gè)LED的失效。而且LED產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致芯片的發(fā)光效率降低，光衰加快、色移等嚴(yán)重后果。
由于LED壽命長(zhǎng)，通常采取加速環(huán)境試驗(yàn)的方法進(jìn)行可靠性測(cè)試與評(píng)估。加速度測(cè)試將會(huì)模仿燈具的應(yīng)用條件或用戶要求，這樣可以更有效地研究各種破壞機(jī)理，提供大量數(shù)據(jù)去研究LED的結(jié)構(gòu)、材料、工藝從而更好完善LED產(chǎn)品。一些典型的加速可靠性試驗(yàn)(如表2)。
然而，加速老化試驗(yàn)只是研究問題的一個(gè)方面，對(duì)LED壽命的預(yù)測(cè)機(jī)理和方法的研究仍是有待研究的難題?，F(xiàn)在的LED技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。企業(yè)的目標(biāo)主要是保證產(chǎn)品長(zhǎng)期的可靠性，例如，根據(jù)產(chǎn)品不同，LED應(yīng)用的范圍壽命從7000小時(shí)到50000～100000小時(shí)不等。這對(duì)于一個(gè)電子企業(yè)是有相當(dāng)挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗麄兊碾娮赢a(chǎn)品現(xiàn)在只有2-3年壽命。對(duì)于50000～100000小時(shí)的SSL系統(tǒng)(包括電源驅(qū)動(dòng))，有必要進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，以符合產(chǎn)品的高要求。
目前，如何通過加速老化試驗(yàn)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)LED產(chǎn)品的可靠性還是相當(dāng)有挑戰(zhàn)性的。對(duì)于LED產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性，應(yīng)當(dāng)關(guān)注如何建立用加速試驗(yàn)來反映產(chǎn)品中出現(xiàn)的問題。對(duì)于了解和預(yù)測(cè)宏觀系統(tǒng)的可靠性，可測(cè)性非常具有挑戰(zhàn)性，主要是因?yàn)榭煽啃允且粋€(gè)多學(xué)科的問題，并且涉及到材料、設(shè)計(jì)、制造工藝、試驗(yàn)和應(yīng)用條件。因此，有必要開發(fā)LED燈和燈具的加速試驗(yàn)以及戶外照明燈具性能測(cè)試試驗(yàn)，從而可以有效地研究關(guān)于LED的各種破壞機(jī)理。
據(jù)悉，飛利浦公司目前致力于研究可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，從而深入了解LED以及電源驅(qū)動(dòng)的失效機(jī)理。有理由相信，在不遠(yuǎn)的將來將會(huì)有快速的、可靠的、適合于長(zhǎng)壽命的LED照明系統(tǒng)的可靠性測(cè)試實(shí)驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)。
LED照明系統(tǒng)的熱管理
高亮度LED的亮度會(huì)隨著芯片的結(jié)溫成指數(shù)遞減。因此，良好的散熱管理是LED固態(tài)照明系統(tǒng)向大功率發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。LED固態(tài)照明系統(tǒng)的散熱與微電子封裝的散熱一樣，器件工作產(chǎn)生的熱量，首先由導(dǎo)熱經(jīng)過多層不同材料組成的封裝系統(tǒng)傳導(dǎo)到熱阱，再由對(duì)流傳熱散到環(huán)境中。LED的熱管理應(yīng)該包括芯片優(yōu)化的布局設(shè)計(jì)，封裝材料(基板材料，熱界面材料)、封裝工藝和熱井的設(shè)計(jì)等方面。
仿真技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于電子封裝，如熱分別、濕氣以及分層等。這些模擬可以提供參數(shù)以更好了解不同條件下的LED性能。圖1和圖2分別給出電子器件的溫度以及水分含量分布圖。這些模擬結(jié)果有助于預(yù)測(cè)器件內(nèi)部溫度或濕度的分布。根據(jù)仿真結(jié)果，可以對(duì)產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化從而改善整個(gè)系統(tǒng)的性能，在一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)合理的范圍里搭建試驗(yàn)車，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
對(duì)于高亮度LED，材料界面熱阻是芯片到冷卻系統(tǒng)的瓶頸。由于傳統(tǒng)的熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，現(xiàn)在出現(xiàn)了新型的高熱導(dǎo)的基于碳納米管的熱界面材料。據(jù)了解，和其他的熱界面材料相比，碳納米管熱界面材料可以更好的降低界面熱阻。優(yōu)化后的碳納米管陣列熱阻低至7mm2K/W。此外，據(jù)驗(yàn)證了碳納米管熱界面材料可以大大提高高亮度LED的光輸出功率。
除了熱界面外，主動(dòng)散熱系統(tǒng)已越來越受企業(yè)的歡迎。圖3給出了SynJet主動(dòng)散熱模塊，它可以產(chǎn)生脈動(dòng)空氣，從而可以把LED燈內(nèi)部的熱直接帶到外面。據(jù)了解，SynJet技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)師解決一些產(chǎn)品的散熱問題，如電腦產(chǎn)品，特別是高可靠性的LED產(chǎn)品。該技術(shù)有高散熱效率、低噪音、高可靠性和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。
另一種主動(dòng)冷卻系統(tǒng)是利用壓電驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生脈動(dòng)空氣，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由一個(gè)PZT膜片和流動(dòng)通道構(gòu)成。該流動(dòng)通道中設(shè)計(jì)者重點(diǎn)論述了出口和進(jìn)口通道的設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)允許每一個(gè)振動(dòng)周期中的流體在管道中的阻力和動(dòng)力差別。
圖5顯示了一種固態(tài)風(fēng)扇，這是Dan Schlitz和Vishal Singhal經(jīng)過六年的不斷積累所發(fā)明的成果。他們?cè)?jīng)是美國(guó)普渡大學(xué)研究人員，現(xiàn)在就職于Thorrn微技術(shù)公司。該研究表明它具有超薄風(fēng)扇的功能但沒有任何運(yùn)動(dòng)部件。其原理是在空氣中微電極靠的很近的時(shí)候，空氣被電離，由于這些離子的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生動(dòng)能，從而推動(dòng)空氣產(chǎn)生吹風(fēng)效果。他們還提到，希望將來該技術(shù)在成本上可以接近傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)。
可以看到新的主動(dòng)冷卻系統(tǒng)正在越來越引起LED研究者的關(guān)注，主要因?yàn)樽匀焕鋮s對(duì)于LED照明系統(tǒng)中已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，并且產(chǎn)生許多相關(guān)的LED失效問題。
對(duì)于可靠性要求較高的LED照明系統(tǒng)，有必要發(fā)展快速的、可靠的以及低成本的LED可靠性檢測(cè)方法。另一方面，應(yīng)不斷發(fā)展新的科技提高LED照明系統(tǒng)的質(zhì)量，包括工藝、材料以及仿真方法。
不斷發(fā)展可靠性測(cè)試方法，可以更好的模仿燈具的應(yīng)用條件或用戶要求，這樣可以更有效地研究各種破壞機(jī)理。