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(tǒng)的散熱方法

解決方案：

• 利用壓電驅動而產生脈動空氣
• 采用主動散熱系統(tǒng)

LED照明有著許多傳統(tǒng)光源無可比擬的優(yōu)點和廣闊的市場前景。但是目前可靠性差、相關標準缺乏、價格昂貴等一系列問題困擾著LED照明產業(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LED照明系統(tǒng)的可靠性、失效模態(tài)問題做了簡單介紹，同時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程(如表1)。LED在實際使用中，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、局部溫度過高產生的熱應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)光甚至導致整個LED的失效。而且LED產生的高溫會導致芯片的發(fā)光效率降低，光衰加快、色移等嚴重后果。 由于LED壽命長，通常采取加速環(huán)境試驗的方法進行可靠性測試與評估。加速度測試將會模仿燈具的應用條件或用戶要求，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題的一個方面，對LED壽命的預測機理和方法的研究仍是有待研究的難題。現在的LED技術面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機遇。企業(yè)的目標主要是保證產品長期的可靠性，例如，根據產品不同，LED應用的范圍壽命從7000小時到50000～100000小時不等。這對于一個電子企業(yè)是有相當挑戰(zhàn)性的，因為他們的電子產品現在只有2-3年壽命。對于50000～100000小時的SSL系統(tǒng)(包括電源驅動)，有必要進行可靠性設計，以符合產品的高要求。

目前，如何通過加速老化試驗準確地預測LED產品的可靠性還是相當有挑戰(zhàn)性的。對于LED產品的長期可靠性，應當關注如何建立用加速試驗來反映產品中出現的問題。對于了解和預測宏觀系統(tǒng)的可靠性，可測性非常具有挑戰(zhàn)性，主要是因為可靠性是一個多學科的問題，并且涉及到材料、設計、制造工藝、試驗和應用條件。因此，有必要開發(fā)LED燈和燈具的加速試驗以及戶外照明燈具性能測試試驗，從而可以有效地研究關于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以及電源驅動的失效機理。有理由相信，在不遠的將來將會有快速的、可靠的、適合于長壽命的LED照明系統(tǒng)的可靠性測試實驗及標準。
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LED照明系統(tǒng)的熱管理

高亮度LED的亮度會隨著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(tǒng)向大功率發(fā)展的一個關鍵因素。LED固態(tài)照明系統(tǒng)的散熱與微電子封裝的散熱一樣，器件工作產生的熱量，首先由導熱經過多層不同材料組成的封裝系統(tǒng)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。 仿真技術已經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，可以對產品的材料和結構進行優(yōu)化從而改善整個系統(tǒng)的性能，在一個比較經濟合理的范圍里搭建試驗車，大大縮短產品開發(fā)周期。 對于高亮度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，主動散熱系統(tǒng)已越來越受企業(yè)的歡迎。圖3給出了SynJet主動散熱模塊，它可以產生脈動空氣，從而可以把LED燈內部的熱直接帶到外面。據了解，SynJet技術可以幫助設計師解決一些產品的散熱問題，如電腦產品，特別是高可靠性的LED產品。該技術有高散熱效率、低噪音、高可靠性和低功耗等優(yōu)點。 [page]
另一種主動冷卻系統(tǒng)是利用壓電驅動而產生脈動空氣，如圖4所示。該結構簡單，由一個PZT膜片和流動通道構成。該流動通道中設計者重點論述了出口和進口通道的設計。這種結構允許每一個振動周期中的流體在管道中的阻力和動力差別。 圖5顯示了一種固態(tài)風扇，這是Dan Schlitz和Vishal Singhal經過六年的不斷積累所發(fā)明的成果。他們曾經是美國普渡大學研究人員，現在就職于Thorrn微技術公司。該研究表明它具有超薄風扇的功能但沒有任何運動部件。其原理是在空氣中微電極靠的很近的時候，空氣被電離，由于這些離子的運動而產生動能，從而推動空氣產生吹風效果。他們還提到，希望將來該技術在成本上可以接近傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)。 可以看到新的主動冷卻系統(tǒng)正在越來越引起LED研究者的關注，主要因為自然冷卻對于LED照明系統(tǒng)中已經遠遠不夠，并且產生許多相關的LED失效問題。

對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可靠性檢測方法。另一方面，應不斷發(fā)展新的科技提高LED照明系統(tǒng)的質量，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要求，這樣可以更有效地研究各種破壞機理。