从色度学谈大功率LED的可靠性设计

从色度学谈大功率ＬＥＤ的可靠性设计王劲，梁秉文（南京汉德森科技股份有限公司，江苏南京２１１１００）摘要：从色度学方面探讨了大功率发光二极管（ＬＥＤ）的可靠性，证实设计问题是影响大功率ＬＥＤ可靠性的主要因素，并分析了热阻的不合理减小会影响产品的可靠性。

关键词：大功率发光二极管；热阻；温度中图分类号：ＴＮ３１２＋．８文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－５４６８（２００６）０５－００１０－０４ＴｈｅＣｈｒｏｍａＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙＤｅｓｉｇｎｏｆＨｉｇｈ－ｐｏｗｅｒＬＥＤＷＡＮＧＪｉｎ，ＬＩＡＮＧＢｉｎｇ－ｗｅｎ（ＮａｎｊｉｎｇＨａｎｄｓｏｎＣＯ．，ＬＴＤ．，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｏｎｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｈｉｇｈｐｏｗｅｒＬＥＤｆｒｏｍｔｈｅｖｉｅｗｐｏｉｎｔｏｆｃｈｒｏｍａ．ＩｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｓｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｔｏｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｈｉｇｈｐｏｗｅｒＬＥＤ，ａｎｄｔｈｅｉｍｐｒｏｐｅｒｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｈｅａｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃａｎａｌｓｏｉｍｐａｃｔｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｐｏｗｅｒＬＥＤ；ｈｅａｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ收稿日期：２００６－０８－０４作者简介：王劲（１９７６－），男，江苏南京人，南京汉德森科技股份有限公司工程师，硕士，主要从事大功率ＬＥＤ研发、测试工作。

电子产品可靠性与环境试验ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＰＲＯＤＵＣＴＲＥＬＩＡＢＩＬＩＴＹＡＮＤＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＴＥＳＴＩＮＧ可靠性设计与工艺控制２００６年１０月第２４卷第５期Ｖｏｌ．２４Ｎｏ．５Ｏｃｔ．，２００６１引言大功率ＬＥＤ是半导体照明的核心部分。

随着半导体照明市场的逐步开发，照明产品也为越来越多的人所接受，同时对可靠性提出了越来越高的要求。

涉及大功率ＬＥＤ照明系统可靠性的因素很多。

目前，人们认识上的误区主要是把可靠性完全（或基本上）归结于元器件的可靠性和制造装配的工艺，忽略了系统设计和环境温度对可靠性的决定性的作用。

据美国海军电子实验室的统计，整机出现故障的原因和各自所占的百分比如表１所示。

在民用电子产品领域，日本的统计资料表明，８０％可靠性问题源于设计（日本把元器件的选型、质量级别的确定、元器件的负荷率等部分也归入设计上的原因）。

以上两方面的数据表明，设计及元器件（元器件的选型、质量级别的确定、元器件的负荷率）的原因造成的故障，在电子产品故障原因中占８０％左右。

由于绝大部分产品都将在复杂的环境下工作，因此，在进行产品的可靠性设计时，应该选择对产品影响最大的因素作为主要考虑的因素。

如对机械产品可靠性影响最大的是振动、冲击等，而对电子产品可靠性影响最大的是温度。

以设备为例，造成电子设备故障的４个主要原因分别为：温度、振动、潮湿、灰尘。

其中温度对电子设备的影响高达６０％。

表１整机故障原因统计故障因素占总失效数的百分比／％设计４０元器件质量３０操作和维护２０制造１０第５期由于目前尚无大功率ＬＥＤ的测试标准，而国内外生产大功率ＬＥＤ的公司都以光通量的衰减作为器件可靠性的依据，对于白光ＬＥＤ这显然是不合理的，因为这样就只考虑了光的亮度变化，没有考虑到颜色色温的变化。

事实上，色度对于大功率白光ＬＥＤ的可靠性更为重要，ＬＥＤ随着使用时间的推移，其光通量会逐渐地变化，在一定范围内并不妨碍继续使用，但色度发生变化，其色温也会发生明显的变化，这会影响ＬＥＤ的灯光美观性，甚至限制其在一些特种行业的使用。

本文就与温度有关的因素对大功率ＬＥＤ的可靠性设计做一研究和阐述。

２设计对产品性能的影响２．１不同热沉设计对于ＬＥＤ芯片温度的影响低的热阻设计有利于ＬＥＤ芯片的热量散失，可以有效保证芯片的寿命。

根据热流模型，芯片的热量能畅通地传到散热底板上，则热阻越小。

下面分析两种不同的热沉形状（Ａ型、Ｂ型）与热流、热阻的关系如图１－６所示。

Ａ型热沉在一定的条件下芯片结点温度为１０６℃，而Ｂ型热沉在相同的条件下芯片结点的温度为９６℃，不同的热沉设计使芯片温度相差１０℃。

造成这一温度差异的原因可从热流矢量图分析得到。

凸台外部的环氧玻璃导热率很低，热流主要图１Ａ型热沉形状图２Ｂ型热沉形状图３Ａ型温度分布图图４Ｂ型温度分布图图５Ａ型热流分布图图６Ｂ型热流分布图王劲等：从色度学谈大功率ＬＥＤ的可靠性设计电子产品可靠性与环境试验２００６年图９Ｃ型焊接前后色坐标变化情况的经过路线为铜制的热沉。

在图１中，由于热沉是由两个凸台构成，两个凸台在形状上不连续，进而造成了热流也随着形状的变化出现不连续的情况。

而在图２中，由于热沉在形状上具有上小下大的特征，符合热流的传播规律，热流能很快地散发出去，所以结点的温度就低。

可见，随着热流连续化，芯片的温度得到有效的改善。

目前有一种衍生的结构，使ＬＥＤ下部热沉直接变为一块金属基ＰＣＢ，ＰＣＢ表面根据需要加工成线路，散热利用金属基板，结构简单，已经在实际中得到使用，这种结构我们称为Ｃ型结构。

利用动态电学测试方法测试３种ＬＥＤ的热阻，如表２所示。

２．２管脚焊接温度对ＬＥＤ色差影响分析在３５０℃焊接温度下色坐标的偏移情况，焊接时间为４ｓ，如图７－９所示。

从测试结果可见，在焊接状况一定的情况下，ＬＥＤ焊接后色坐标都会有不同程度的离散。

Ａ型结构的ＬＥＤ焊接前后色坐标变化较小，Ｂ型和Ｃ型ＬＥＤ焊接前后色坐标都有一定的变化。

造成Ｂ型和Ｃ型ＬＥＤ焊接后色差偏移较大的原因，或许是因其底座较薄，整体热阻较小，焊接时热冲击对ＬＥＤ芯片造成了一定程度的损伤的缘故。

２．３ＬＥＤ老化数据分析Ａ型、Ｂ型和Ｃ型白光ＬＥＤ在老化后的数据分析如图１０－１２所示。

随着老化时间增加，色坐标有一定的变化。

图１０中黑色线条所围成的菱形区域是色坐标的一个Ｂｉｎ，该分Ｂｉｎ坐标参照ｌｕ－ｍｉＬＥＤｓ分并坐标。

红色点线是该样品的实际测试数据。

热沉结构热阻／（℃・Ｗ－１）Ａ型２３Ｂ型１７Ｃ型１２表２用动态电学法测试ＬＥＤ热阻图７Ａ型焊接前后色坐标变化情况图８Ｂ型焊接前后色坐标变化情况图１０Ａ型老化后色坐标变化情况Ｙ值Ｘ值Ｙ值Ｘ值Ｙ值Ｘ值Ｙ坐标Ｘ坐标第５期图１２Ｃ型老化后色坐标变化情况由图９－１２可见，Ａ型ＬＥＤ在老化后色坐标离散度较Ｂ型、Ｃ型ＬＥＤ色坐标离散度小。

以上数据说明，Ａ型、Ｂ型结构的健壮性要比Ｃ型ＬＥＤ好。

Ａ型结构的ＬＥＤ底座采用铜，更利于散热，而且较厚的铜底座也可以作为缓冲来防止外界焊接时温度过高对ＬＥＤ性能造成影响。

可见，热阻较小也给Ｃ型ＬＥＤ使用带来了问题。

目前一种新的设计是使线路板和散热板分开，或者在导热性能较差的绝缘板上铺线路板，再将此线路板贴附在散热板上，使热、电得到有效的分离，从而保证了ＬＥＤ在使用中的可靠性。

３结束语本文简要地阐述了热阻设计对大功率ＬＥＤ可靠性的影响，大量的实验证明了大功率ＬＥＤ热阻设计是否合理对其使用可靠性有重要的影响，最后分析了不同热阻结构下大功率ＬＥＤ在管脚焊接温度与老化实验后色坐标的变化情况。

热阻是大功率ＬＥＤ众多性能参数中最重要的参数之一，但不能以热阻的减小为代价来牺牲产品的可靠性，设计者必须在性能与可靠性之间寻求一个合理的结合点，从而避免产品使用中可能存在的问题。

参考文献：［１］王劲，刘乃涛，梁秉文．浅析大功率ＬＥＤ照明应用产品的老化［Ｊ］．国际照明与灯饰，２００６，（７）：７２－７４．［２］孙青，庄奕琪，王锡吉，等．电子元器件可靠性工程［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００２．［３］罗雯，阳辉，魏建中，等．电子元器件可靠性试验工程［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００５．图１１Ｂ型老化后色坐标变化情况信息与动态!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!以消耗臭氧层物质做制冷剂的家电将被禁止氟里昂是破坏臭氧层的杀手，臭氧层的破坏将会增加紫外线对地球辐射的强度，不仅会对人类健康产生许多不良的影响，引起温室效应，并且会使整个生态系统，包括植物及水系统产生变化，恶化我们的居住环境。

最近，国家环保总局联合国家发改委、商务部、海关总署和国家质检总局发布了《关于禁止生产、销售、进出口以氯氟烃为制冷剂、发泡剂的家用电器产品的公告》，要求自２００７年０１月０１日起，任何企业不得生产以氯氟烃为制冷剂、发泡剂的家用电器产品；不得在家用电器的生产过程中使用氯氟烃作为清洗剂。

自２００７年０５月０１日起，任何企业不得销售和进出口以氯氟烃为制冷剂、发泡剂的家用电器产品。

目前中国正在制订氟氯化碳的加速淘汰计划，希望在２００７年０７月０１日前停止主要消耗臭氧层物质的生产。

随着停止消耗臭氧层物质生产与使用的最后期限一天天向我们靠近，ＯＤＳ（消耗臭氧层物质）替代，尤其是氟里昂替代环保型制冷剂，越来越成为市场中一块诱人的“蛋糕”。

（本刊讯）王劲等：从色度学谈大功率ＬＥＤ的可靠性设计Ｙ坐标Ｘ坐标Ｙ值Ｘ值。