某燈具LED燈珠封裝膠體失效分析

馮博楷，王君兆

(1.菏澤學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 菏澤 274000；2. 深圳美信檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518108)

0 前言

與傳統(tǒng)光源相比，基于LED的照明具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。但LED發(fā)光光譜中不含紅外光譜，其熱量的散失多依賴于基板和有效的熱管理制度[3-5]。不能及時(shí)散失的熱量會(huì)加速LED器件的老化，縮短燈具的使用壽命。近年來(lái)對(duì)LED散熱問(wèn)題進(jìn)行了較多研究[6-8]，但對(duì)實(shí)際使用過(guò)程中失效問(wèn)題的分析卻不多見(jiàn)。本文針對(duì)某LED燈具在老化過(guò)程中出現(xiàn)燈珠封裝膠體變色和脫落失效現(xiàn)象，通過(guò)理化分析和驗(yàn)證仿真分析，闡明其失效原因，為此類LED燈珠的失效控制與預(yù)防提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

LED燈珠封裝膠體失效燈具，如圖1(a)所示。該款燈具采用橫流風(fēng)扇主動(dòng)散熱，LED燈珠所在鋁基板背部采用石墨與燈具散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，單顆燈珠熱阻為5 K/W，正常工作電流為900 mA，燈具額定工作功率為150 W。燈具在老化過(guò)程出現(xiàn)如圖1(b)所示的LED燈珠發(fā)黑和膠體脫落的失效現(xiàn)象。

(a)燈具樣品 (b)失效燈珠圖1 失效樣品照片F(xiàn)ig.1 Appearance photos of failure samples

1.2 主要設(shè)備及儀器

X光測(cè)試儀(X-RAY)，XD7500NT，英國(guó)DAGE公司；

紅外光譜分析儀(FTIR)，Thermo Eletron NEXUS67，美國(guó)Nicolet公司；

熱成像儀，IR-160P，上海雙旭電子有限公司；

分析軟件，ANSYS R15.0，美國(guó)ANSYS公司；

LED燈具老化試驗(yàn)箱，09001，蘇州易華機(jī)電有限公司。

1.3 性能測(cè)試與有限元分析

理化性能測(cè)試：對(duì)失效燈珠進(jìn)行切片觀察，確定發(fā)黑或脫落膠體的位置和形狀；同時(shí)，采用DAGE XD7500NT X-RAY透視顯微鏡對(duì)燈珠樣品進(jìn)行內(nèi)部觀察，以確定燈珠內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)其失效的影響；對(duì)失效燈珠和正常燈珠分別取樣，采用FTIR分析封裝材料的化學(xué)成分；采用熱成像儀，對(duì)燈具整體進(jìn)行分析，鑒別不同微區(qū)溫度差異，分析對(duì)燈珠膠體的影響；

ANSYS有限元分析和模擬驗(yàn)證：利用ANSYS 軟件對(duì)燈珠進(jìn)行熱穩(wěn)態(tài)分析，判斷溫度的分布對(duì)整個(gè)燈珠的影響；設(shè)計(jì)對(duì)流散熱模擬實(shí)驗(yàn)，并采用ANSYS對(duì)不同對(duì)流條件進(jìn)行有限元分析，探討燈珠封裝膠體失效的原因；采用LED燈具老化試驗(yàn)箱，驗(yàn)證封裝膠體失效原因。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀切片和X-RAY透視

圖2為失效燈珠和正常燈珠的切片照片。可以看出，封裝膠體發(fā)黑的部位從與LED芯片接觸位置一直延伸到燈珠表面，且越靠近芯片和膠體外表面，發(fā)黑現(xiàn)象越嚴(yán)重。

(a)失效燈珠切片 (b)正常燈珠切片圖2 切片分析照片F(xiàn)ig.2 Cross-sections of the samples

圖3為失效燈珠和正常燈珠基板的X-RAY透視照片?？芍悠泛褪悠返膬?nèi)部結(jié)構(gòu)完幾乎一致，各燈珠串聯(lián)連接，單獨(dú)供電。

(a)失效燈珠 (b)正常燈珠圖3 X-RAY透視照片F(xiàn)ig.3 X-RAY photos

2.2 FTIR分析

對(duì)失效燈珠樣品變色位置和正常位置進(jìn)行FTIR測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果說(shuō)明失效樣品上發(fā)黑物質(zhì)材料與正常位置的膠體材料沒(méi)有明顯差異，均為有機(jī)硅樹(shù)脂材料。

1—燒黑處 2—正常處圖4 FTIR譜圖Fig.4 FTIR spectrum

2.3 紅外熱像分析

為了分析燈具的整體散熱性能對(duì)燈珠失效的影響，分別對(duì)燈珠串聯(lián)和并聯(lián)兩燈具進(jìn)行紅外熱像分析，樣品整體溫度分布如圖5所示。

(a)串聯(lián)連接燈具 (b)并聯(lián)連接燈具圖5 樣品整體溫度分布Fig.5 Heat distribution of lamps

可見(jiàn)，2種燈具整體溫度無(wú)太大差異，串聯(lián)連接燈具出光面最低溫度22.16 ℃，最高溫度54.86 ℃。并聯(lián)連接燈具出光面最低溫度為21.66 ℃，最高溫度為55.97 ℃。發(fā)光表面各位置燈珠的溫度情況如表1所示，可以看出，P1到P7各位置燈珠溫度沒(méi)有明顯差異，也無(wú)規(guī)律呈現(xiàn)。在該散熱結(jié)構(gòu)下，燈具溫度分布較為均勻，整體散熱能力上不存在差異，這可能得益于石墨良好的橫向?qū)崮芰Α？芍w燈具散熱能力不是燈珠封裝膠體失效的主要原因。

表1 光表面各位置溫度情況

Tab.1 Temperature of luminescent surface at different positions

2.4 ANSYS有限元分析和模擬驗(yàn)證2.4.1 穩(wěn)態(tài)熱分析

由于燈珠被設(shè)計(jì)在一個(gè)相對(duì)封閉的空間內(nèi)，無(wú)法在不破壞燈具的情況下準(zhǔn)確評(píng)價(jià)內(nèi)部的散熱性能，現(xiàn)使用有限元分析方法對(duì)燈具散熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析。為保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)模型各部分材料導(dǎo)熱性能進(jìn)行優(yōu)化，基板上LED燈珠芯片的導(dǎo)熱系數(shù)為40 W/m·K，透鏡的導(dǎo)熱系數(shù)為1.3 W/m·K，基板為鋁基板且有石墨導(dǎo)熱層，其導(dǎo)熱系數(shù)為60 W/m·K，整個(gè)簡(jiǎn)化模型的最低溫度邊界條件為燈珠基板底部的溫度50 ℃，和燈珠的功率吻合，在芯片上表面的熱源為2 W，優(yōu)化后燈珠的熱阻基本達(dá)到燈珠規(guī)格書(shū)中的5 K/W。燈珠簡(jiǎn)化模型如圖6所示。

圖6 簡(jiǎn)化模型圖Fig.6 Simplified model diagram

將2 W的熱功率作用在燈珠簡(jiǎn)化模型的芯片表面，經(jīng)過(guò)有限元分析計(jì)算得到燈珠穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖如圖7所示。

圖7 燈珠穩(wěn)態(tài)熱分布Fig.7 Steady-state heat distribution of lamp beads

可以看出，在2 W功率作用下，芯片中心溫度最高，可達(dá)59.99 ℃。隨著遠(yuǎn)離芯片中心距離的增加，溫度逐漸降低，但溫度下降程度向發(fā)光表面和鋁基板2個(gè)方向并不一致，燈珠發(fā)光表面溫度約為55.5 ℃，鋁基板處溫度則為有限元分析的邊界溫度50 ℃。燈珠模型熱阻(R)可按式(1)[9]計(jì)算：

R=(Tmax-Tmin)/P

(1)

式中Tmax——熱模型最高溫度， ℃

Tmin——熱模型最低溫度， ℃

P——耗散功率， W

將Tmax=59.99 ℃、Tmin=50 ℃、P=2 W帶入式(1)，計(jì)算得燈珠模型熱阻為5 K/W，該數(shù)值與規(guī)格書(shū)要求一致。數(shù)值分析結(jié)果顯示燈珠封裝膠體內(nèi)的溫度分布與切片觀察到的燈珠芯片部位發(fā)黑程度相關(guān)，因此懷疑燈珠封裝膠體發(fā)黑失效與其不能進(jìn)行有效熱管理相關(guān)。

2.4.2對(duì)流模擬試驗(yàn)和分析

失效現(xiàn)象出現(xiàn)在燈具老化過(guò)程中，且該款燈具主要依靠風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱，因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)比老化環(huán)境對(duì)燈具散熱的影響：將一把具有升降功能的凳子放在燈具出光面下，升降凳子， 采用熱電偶在不同照射距離情況下測(cè)量燈珠附近的溫度，對(duì)流模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 對(duì)流模擬試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of convection simulation

可知，當(dāng)熱電偶距離燈具發(fā)光表面30 cm時(shí)，溫度為61 ℃，隨著高度的減少，當(dāng)高度為20 cm和10 cm時(shí)，熱電偶溫度顯示分別為84、92 ℃?？梢?jiàn)，燈具的使用環(huán)境對(duì)其散熱影響很大。

在上述對(duì)流條件下的，燈珠所在的相對(duì)密閉腔體內(nèi)的散熱情況無(wú)法直接測(cè)量。由于紅外熱像分析顯示樣品散熱結(jié)構(gòu)上的溫度分布較均勻，因此可通過(guò)簡(jiǎn)化模型的方式，以對(duì)流驗(yàn)證試驗(yàn)中所測(cè)結(jié)果(圖8)作為邊界條件，再次使用有限元分析方法對(duì)上述不同對(duì)流條件下的散熱情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖9所示。

(a)對(duì)流情況較好 (b)對(duì)流情況較差圖9 有限元分析結(jié)果Fig.9 Finite element analysis

由圖9(a)可知，在對(duì)流散熱較好的情況下，燈具溫度的最高點(diǎn)集中在燈珠附近，最高溫度為77.59 ℃，而且溫度場(chǎng)范圍較小，最低溫度為46 ℃，熱量有效地得到散失。對(duì)流散熱較差的情況如圖9(b)所示，燈具內(nèi)腔體溫度較高，最高溫度可達(dá)92.27 ℃，低溫約為51 ℃，燈珠周圍的腔體積聚了大部分熱量，整個(gè)溫度云場(chǎng)也較大。

圖10 燈具對(duì)流散熱示意圖Fig.10 Schematic diagram of cooling systems

樣品燈具使用如圖10所示的橫流風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱，可分為向上和向下2條路徑。從上述紅外測(cè)溫和有限元分析可知，燈珠向上散熱的情況很好，這主要得益于燈珠優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和PCB板背部高導(dǎo)熱材料石墨的使用；而向下散熱表現(xiàn)較差，導(dǎo)致熱量在燈珠所在的密封腔內(nèi)積聚。在對(duì)流情況較差的情況下，燈珠的封裝膠體同時(shí)受到LED芯片熱量和腔體內(nèi)積聚熱量的雙重作用，出現(xiàn)了膠體發(fā)黑和爆裂脫落的現(xiàn)象，這與切片分析中膠體發(fā)黑現(xiàn)象的分布情況相一致。更嚴(yán)重的是，有限元分析對(duì)結(jié)構(gòu)模型做了一定程度的簡(jiǎn)化，而實(shí)際的燈具老化環(huán)境更加惡劣。

2.4.3驗(yàn)證與建議

將正常燈珠樣品放置在恒溫箱內(nèi)進(jìn)行通電驗(yàn)證，在正常工作電流(單顆燈900 mA)條件下，由于缺少了散熱結(jié)構(gòu)，且恒溫箱相對(duì)密閉，很快出現(xiàn)了膠體發(fā)黑和脫落的現(xiàn)象，失效現(xiàn)象得到復(fù)現(xiàn)。

實(shí)際上，該款燈具全功率工作時(shí)的電功率達(dá)到150 W左右，這對(duì)散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，在產(chǎn)品功能性、扁平化的前提要求下，幾乎不可能通過(guò)被動(dòng)散熱方式實(shí)現(xiàn)有效熱管理，所以必須引入主動(dòng)散熱技術(shù)。該燈具結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

圖11 燈具結(jié)構(gòu)示意Fig.11 Structure details

該燈具的宏觀散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常優(yōu)秀，采用橫流風(fēng)扇使空氣進(jìn)行有效對(duì)流循環(huán)，但這種過(guò)分依賴空氣對(duì)流的設(shè)計(jì)極易受到使用環(huán)境的影響；此外，從圖中可知，對(duì)流空氣對(duì)腔體的散熱路徑實(shí)際上被導(dǎo)熱能力很差且相對(duì)靜止的空氣所阻隔。從不影響整體美觀和扁平化要求考慮，橫流風(fēng)扇的設(shè)計(jì)必須保留，同時(shí)建議將支撐柱進(jìn)行開(kāi)孔或直接制成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以讓反射罩和支撐柱之間阻隔散熱的靜止空氣流動(dòng)起來(lái)，然后再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)論

(1)該燈具失效和正常燈珠內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致，均為串聯(lián)連接；失效燈珠封裝膠體和正常樣品一樣均為有機(jī)硅樹(shù)脂材料，燈具整體散熱性能對(duì)燈珠失效沒(méi)有影響；

(2)燈珠封裝膠體靠近芯片和燈珠外表面變色嚴(yán)重，封裝有機(jī)硅樹(shù)脂材料的失效是LED芯片熱量和腔體內(nèi)積聚熱量的雙重作用的結(jié)果；

(3)引入主動(dòng)散熱技術(shù)，建議將燈具支撐柱進(jìn)行開(kāi)孔或直接制成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以讓反射罩和支撐柱之間阻隔散熱的靜止空氣流動(dòng)起來(lái)，然后再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化。