道路照明用高效LED的可靠性研究

1. 引言

近年来，在户外照明领域，新型LED路灯正引起众多产业界和投资者的关注，全国有数百家企业推出了各自的LED路灯产品，几乎各个城市都有或多或少的LED路灯已经安装到城市的干道上。然而在众多的产品序列中，良莠不齐，一些产品仍欠完善，其中问题最大的是LED路灯的整体可靠性。LED道路照明系统不同于传统照明灯具，相对要复杂得多，影响整体可靠性的因素也多。参见图（1）。

在研究其系统可靠性时必须考虑其固有的特点。

1）光源模块本身的技术指标受多种因素的制约

2）光源模块的参数离散性很大

3）器件可靠性对散热的依赖性极大

4）LED的驱动电源设计寿命远落后于LED光源

在众多因素中，LED发光器件本身的性能指标无疑是决定灯具光效、寿命等性能的最主要部件，也是目前最受人关注的研究方面。

为了改进性能和提高可靠性，我们对影响LED发光器件可靠性的主要因素进行分析研究，初步探讨了LED光源的失效机理。

2. LED芯片的固晶热阻分析

固晶热阻是芯片与基座间的固晶层引入的热阻，对芯片的散热效果有很大影响，是总的封装热阻的主要组成部分，目前对不同材料的固晶热阻的分析一直停留在数值仿真阶段。现有的热阻测试设备并无法区分各部分引入的热阻，而实际工艺中往往需要对固晶热阻进行评价，为此，我们从前向电压法出发研制的动态结温测试方法，能有效地分析固晶层热阻的新方法。

目前遇到的很多类固晶材料，这些材料的热导率从0.2~60 W/K·m不等，使用不同材料封装时引入的固晶热阻不同，为了研究固晶热阻随热导率的变化关系，我们对一个简单模型内的固晶热阻做了数值仿真分析，忽略芯片自身的温度梯度，结构为1x1x0.1mm的1W LED芯片固晶于30x30x5mm的铝基板上，环境温度为20℃，固晶层厚25μm。固晶材料热导率为18W/K.m时，通过专业热仿真软件仿真得到芯片及基板局部温度分布如图2所示，芯片温度为54.06℃，基板温度为52.77℃，此时固晶热阻为1.29 K/W。设置固晶层材料热导率从2~60 W/K.m 变化，仿真得到固晶热阻如图3中曲线变化。

图 2 热仿真温度分布图

图（3） 固晶热阻随固晶材料热导率的变化（固晶层厚25微米）

可以看到固晶热阻与固晶材料的导热率有关，固晶层厚度为25微米时，固晶材料的热导率增大时固晶热阻不断减小，在材料热导率达到22 以上时，热阻小于1 ，之后热阻随材料热导率的增加变化不如前期明显。

然而在实际的封装参数测试中，会发现期间的封装热阻比理论计算值要大许多，这其中的原因一是固晶材料的导热率实际值与厂家给出的额定值有偏差，例如用银胶固晶，此偏差与银胶材料的保存、涂覆、固化工艺有关。另一原因是固晶厚度的控制远非理想情况。一般来讲，固晶热阻与固晶层厚度成正比关系，因此基座材料的表面平整度，胶体固化后内部的微气泡、杂质，厚度的偏离多会造成固晶热阻的上升。

为考察实际固晶层的质量，对一批相同工艺、相同材料封装、不同热阻参数的LED器件解剖分析。图5和图6是其剖面图，银胶的导热率约为12 。由图可见固晶层的实际厚度在同一批次的产品中都会有不同的数值，且差距不小。