中心議題：

• 探討高亮度LED的可靠性以及熱管理研究
• 介紹了一些新的可用于LED照明系統的散熱方法

解決方案：

• 利用壓電驅動(dòng)而產(chǎn)生脈動(dòng)空氣
• 采用主動(dòng)散熱系統

LED照明有著(zhù)許多傳統光源無(wú)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)標準缺乏、價(jià)格昂貴等一系列問(wèn)題困擾著(zhù)LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是高亮度LED照明系統中的熱管理問(wèn)題。本文針對LED照明系統的可靠性、失效模態(tài)問(wèn)題做了簡(jiǎn)單介紹，同時(shí)也介紹了一些新的可用于LED照明系統的散熱方法。

可靠性試驗以及失效模態(tài)

LED模組和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封裝結構以及工藝過(guò)程(如表1)。LED在實(shí)際使用中，由于復雜的環(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(guò)高產(chǎn)生的熱應力所引起的芯片和硅膠的分層或金線(xiàn)斷裂等等，從而影響LED發(fā)光甚至導致整個(gè)LED的失效。而且LED產(chǎn)生的高溫會(huì )導致芯片的發(fā)光效率降低，光衰加快、色移等嚴重后果。 由于LED壽命長(cháng)，通常采取加速環(huán)境試驗的方法進(jìn)行可靠性測試與評估。加速度測試將會(huì )模仿燈具的應用條件或用戶(hù)要求，這樣可以更有效地研究各種破壞機理，提供大量數據去研究LED的結構、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(如表2)。 然而，加速老化試驗只是研究問(wèn)題的一個(gè)方面，對LED壽命的預測機理和方法的研究仍是有待研究的難題?，F在的LED技術(shù)面臨著(zhù)巨大的挑戰和機遇。企業(yè)的目標主要是保證產(chǎn)品長(cháng)期的可靠性，例如，根據產(chǎn)品不同，LED應用的范圍壽命從7000小時(shí)到50000～100000小時(shí)不等。這對于一個(gè)電子企業(yè)是有相當挑戰性的，因為他們的電子產(chǎn)品現在只有2-3年壽命。對于50000～100000小時(shí)的SSL系統(包括電源驅動(dòng))，有必要進(jìn)行可靠性設計，以符合產(chǎn)品的高要求。

目前，如何通過(guò)加速老化試驗準確地預測LED產(chǎn)品的可靠性還是相當有挑戰性的。對于LED產(chǎn)品的長(cháng)期可靠性，應當關(guān)注如何建立用加速試驗來(lái)反映產(chǎn)品中出現的問(wèn)題。對于了解和預測宏觀(guān)系統的可靠性，可測性非常具有挑戰性，主要是因為可靠性是一個(gè)多學(xué)科的問(wèn)題，并且涉及到材料、設計、制造工藝、試驗和應用條件。因此，有必要開(kāi)發(fā)LED燈和燈具的加速試驗以及戶(hù)外照明燈具性能測試試驗，從而可以有效地研究關(guān)于LED的各種破壞機理。

據悉，飛利浦公司目前致力于研究可靠性測試標準，從而深入了解LED以及電源驅動(dòng)的失效機理。有理由相信，在不遠的將來(lái)將會(huì )有快速的、可靠的、適合于長(cháng)壽命的LED照明系統的可靠性測試實(shí)驗及標準。
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LED照明系統的熱管理

高亮度LED的亮度會(huì )隨著(zhù)芯片的結溫成指數遞減。因此，良好的散熱管理是LED固態(tài)照明系統向大功率發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。LED固態(tài)照明系統的散熱與微電子封裝的散熱一樣，器件工作產(chǎn)生的熱量，首先由導熱經(jīng)過(guò)多層不同材料組成的封裝系統傳導到熱阱，再由對流傳熱散到環(huán)境中。LED的熱管理應該包括芯片優(yōu)化的布局設計，封裝材料(基板材料，熱界面材料)、封裝工藝和熱井的設計等方面。 仿真技術(shù)已經(jīng)普遍應用于電子封裝，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。這些模擬結果有助于預測器件內部溫度或濕度的分布。根據仿真結果，可以對產(chǎn)品的材料和結構進(jìn)行優(yōu)化從而改善整個(gè)系統的性能，在一個(gè)比較經(jīng)濟合理的范圍里搭建試驗車(chē)，大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。 對于高亮度LED，材料界面熱阻是芯片到冷卻系統的瓶頸。由于傳統的熱界面材料的導熱系數相對較低，現在出現了新型的高熱導的基于碳納米管的熱界面材料。據了解，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，據驗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)散熱系統已越來(lái)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燈內部的熱直接帶到外面。據了解，SynJet技術(shù)可以幫助設計師解決一些產(chǎn)品的散熱問(wèn)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)。 [page]
另一種主動(dòng)冷卻系統是利用壓電驅動(dòng)而產(chǎn)生脈動(dòng)空氣，如圖4所示。該結構簡(jiǎn)單，由一個(gè)PZT膜片和流動(dòng)通道構成。該流動(dòng)通道中設計者重點(diǎn)論述了出口和進(jìn)口通道的設計。這種結構允許每一個(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(guò)六年的不斷積累所發(fā)明的成果。他們曾經(jīng)是美國普渡大學(xué)研究人員，現在就職于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(méi)有任何運動(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(lái)該技術(shù)在成本上可以接近傳統的冷卻系統。 可以看到新的主動(dòng)冷卻系統正在越來(lái)越引起LED研究者的關(guān)注，主要因為自然冷卻對于LED照明系統中已經(jīng)遠遠不夠，并且產(chǎn)生許多相關(guān)的LED失效問(wèn)題。

對于可靠性要求較高的LED照明系統，有必要發(fā)展快速的、可靠的以及低成本的LED可靠性檢測方法。另一方面，應不斷發(fā)展新的科技提高LED照明系統的質(zhì)量，包括工藝、材料以及仿真方法。

不斷發(fā)展可靠性測試方法，可以更好的模仿燈具的應用條件或用戶(hù)要求，這樣可以更有效地研究各種破壞機理。