某灯具LED灯珠封装胶体失效分析

冯博楷，王君兆

(1.菏泽学院机电工程学院，山东 菏泽 274000；2. 深圳美信检测技术股份有限公司，广东 深圳 518108)

0 前言

与传统光源相比，基于LED的照明具有节能、环保的优点[1-2]。但LED发光光谱中不含红外光谱，其热量的散失多依赖于基板和有效的热管理制度[3-5]。不能及时散失的热量会加速LED器件的老化，缩短灯具的使用寿命。近年来对LED散热问题进行了较多研究[6-8]，但对实际使用过程中失效问题的分析却不多见。本文针对某LED灯具在老化过程中出现灯珠封装胶体变色和脱落失效现象，通过理化分析和验证仿真分析，阐明其失效原因，为此类LED灯珠的失效控制与预防提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

LED灯珠封装胶体失效灯具，如图1(a)所示。该款灯具采用横流风扇主动散热，LED灯珠所在铝基板背部采用石墨与灯具散热结构进行连接，单颗灯珠热阻为5 K/W，正常工作电流为900 mA，灯具额定工作功率为150 W。灯具在老化过程出现如图1(b)所示的LED灯珠发黑和胶体脱落的失效现象。

(a)灯具样品 (b)失效灯珠图1 失效样品照片Fig.1 Appearance photos of failure samples

1.2 主要设备及仪器

X光测试仪(X-RAY)，XD7500NT，英国DAGE公司；

红外光谱分析仪(FTIR)，Thermo Eletron NEXUS67，美国Nicolet公司；

热成像仪，IR-160P，上海双旭电子有限公司；

分析软件，ANSYS R15.0，美国ANSYS公司；

LED灯具老化试验箱，09001，苏州易华机电有限公司。

1.3 性能测试与有限元分析

理化性能测试：对失效灯珠进行切片观察，确定发黑或脱落胶体的位置和形状；同时，采用DAGE XD7500NT X-RAY透视显微镜对灯珠样品进行内部观察，以确定灯珠内部结构对其失效的影响；对失效灯珠和正常灯珠分别取样，采用FTIR分析封装材料的化学成分；采用热成像仪，对灯具整体进行分析，鉴别不同微区温度差异，分析对灯珠胶体的影响；

ANSYS有限元分析和模拟验证：利用ANSYS 软件对灯珠进行热稳态分析，判断温度的分布对整个灯珠的影响；设计对流散热模拟实验，并采用ANSYS对不同对流条件进行有限元分析，探讨灯珠封装胶体失效的原因；采用LED灯具老化试验箱，验证封装胶体失效原因。

2 结果与讨论

2.1 宏观切片和X-RAY透视

图2为失效灯珠和正常灯珠的切片照片。可以看出，封装胶体发黑的部位从与LED芯片接触位置一直延伸到灯珠表面，且越靠近芯片和胶体外表面，发黑现象越严重。

(a)失效灯珠切片 (b)正常灯珠切片图2 切片分析照片Fig.2 Cross-sections of the samples

图3为失效灯珠和正常灯珠基板的X-RAY透视照片。可知，正常样品和失效样品的内部结构完几乎一致，各灯珠串联连接，单独供电。

(a)失效灯珠 (b)正常灯珠图3 X-RAY透视照片Fig.3 X-RAY photos

2.2 FTIR分析

对失效灯珠样品变色位置和正常位置进行FTIR测试，结果如图4所示。结果说明失效样品上发黑物质材料与正常位置的胶体材料没有明显差异，均为有机硅树脂材料。

1—烧黑处 2—正常处图4 FTIR谱图Fig.4 FTIR spectrum

2.3 红外热像分析

为了分析灯具的整体散热性能对灯珠失效的影响，分别对灯珠串联和并联两灯具进行红外热像分析，样品整体温度分布如图5所示。

(a)串联连接灯具 (b)并联连接灯具图5 样品整体温度分布Fig.5 Heat distribution of lamps

可见，2种灯具整体温度无太大差异，串联连接灯具出光面最低温度22.16 ℃，最高温度54.86 ℃。并联连接灯具出光面最低温度为21.66 ℃，最高温度为55.97 ℃。发光表面各位置灯珠的温度情况如表1所示，可以看出，P1到P7各位置灯珠温度没有明显差异，也无规律呈现。在该散热结构下，灯具温度分布较为均匀，整体散热能力上不存在差异，这可能得益于石墨良好的横向导热能力。可知，整体灯具散热能力不是灯珠封装胶体失效的主要原因。

表1 光表面各位置温度情况

Tab.1 Temperature of luminescent surface at different positions

2.4 ANSYS有限元分析和模拟验证2.4.1 稳态热分析

由于灯珠被设计在一个相对封闭的空间内，无法在不破坏灯具的情况下准确评价内部的散热性能，现使用有限元分析方法对灯具散热性能进行数值模拟分析。为保证数值模拟的准确性，对模型各部分材料导热性能进行优化，基板上LED灯珠芯片的导热系数为40 W/m·K，透镜的导热系数为1.3 W/m·K，基板为铝基板且有石墨导热层，其导热系数为60 W/m·K，整个简化模型的最低温度边界条件为灯珠基板底部的温度50 ℃，和灯珠的功率吻合，在芯片上表面的热源为2 W，优化后灯珠的热阻基本达到灯珠规格书中的5 K/W。灯珠简化模型如图6所示。

图6 简化模型图Fig.6 Simplified model diagram

将2 W的热功率作用在灯珠简化模型的芯片表面，经过有限元分析计算得到灯珠稳态温度分布云图如图7所示。

图7 灯珠稳态热分布Fig.7 Steady-state heat distribution of lamp beads

可以看出，在2 W功率作用下，芯片中心温度最高，可达59.99 ℃。随着远离芯片中心距离的增加，温度逐渐降低，但温度下降程度向发光表面和铝基板2个方向并不一致，灯珠发光表面温度约为55.5 ℃，铝基板处温度则为有限元分析的边界温度50 ℃。灯珠模型热阻(R)可按式(1)[9]计算：

R=(Tmax-Tmin)/P

(1)

式中Tmax——热模型最高温度， ℃

Tmin——热模型最低温度， ℃

P——耗散功率， W

将Tmax=59.99 ℃、Tmin=50 ℃、P=2 W带入式(1)，计算得灯珠模型热阻为5 K/W，该数值与规格书要求一致。数值分析结果显示灯珠封装胶体内的温度分布与切片观察到的灯珠芯片部位发黑程度相关，因此怀疑灯珠封装胶体发黑失效与其不能进行有效热管理相关。

2.4.2对流模拟试验和分析

失效现象出现在灯具老化过程中，且该款灯具主要依靠风扇进行强制对流散热，因此设计实验对比老化环境对灯具散热的影响：将一把具有升降功能的凳子放在灯具出光面下，升降凳子， 采用热电偶在不同照射距离情况下测量灯珠附近的温度，对流模拟实验结果如图8所示。

图8 对流模拟试验结果Fig.8 Experimental results of convection simulation

可知，当热电偶距离灯具发光表面30 cm时，温度为61 ℃，随着高度的减少，当高度为20 cm和10 cm时，热电偶温度显示分别为84、92 ℃。可见，灯具的使用环境对其散热影响很大。

在上述对流条件下的，灯珠所在的相对密闭腔体内的散热情况无法直接测量。由于红外热像分析显示样品散热结构上的温度分布较均匀，因此可通过简化模型的方式，以对流验证试验中所测结果(图8)作为边界条件，再次使用有限元分析方法对上述不同对流条件下的散热情况进行分析，分析结果如图9所示。

(a)对流情况较好 (b)对流情况较差图9 有限元分析结果Fig.9 Finite element analysis

由图9(a)可知，在对流散热较好的情况下，灯具温度的最高点集中在灯珠附近，最高温度为77.59 ℃，而且温度场范围较小，最低温度为46 ℃，热量有效地得到散失。对流散热较差的情况如图9(b)所示，灯具内腔体温度较高，最高温度可达92.27 ℃，低温约为51 ℃，灯珠周围的腔体积聚了大部分热量，整个温度云场也较大。

图10 灯具对流散热示意图Fig.10 Schematic diagram of cooling systems

样品灯具使用如图10所示的横流风扇进行强制对流散热，可分为向上和向下2条路径。从上述红外测温和有限元分析可知，灯珠向上散热的情况很好，这主要得益于灯珠优良的结构设计和PCB板背部高导热材料石墨的使用；而向下散热表现较差，导致热量在灯珠所在的密封腔内积聚。在对流情况较差的情况下，灯珠的封装胶体同时受到LED芯片热量和腔体内积聚热量的双重作用，出现了胶体发黑和爆裂脱落的现象，这与切片分析中胶体发黑现象的分布情况相一致。更严重的是，有限元分析对结构模型做了一定程度的简化，而实际的灯具老化环境更加恶劣。

2.4.3验证与建议

将正常灯珠样品放置在恒温箱内进行通电验证，在正常工作电流(单颗灯900 mA)条件下，由于缺少了散热结构，且恒温箱相对密闭，很快出现了胶体发黑和脱落的现象，失效现象得到复现。

实际上，该款灯具全功率工作时的电功率达到150 W左右，这对散热结构的设计是一个巨大的挑战，在产品功能性、扁平化的前提要求下，几乎不可能通过被动散热方式实现有效热管理，所以必须引入主动散热技术。该灯具结构示意图如图11所示。

图11 灯具结构示意Fig.11 Structure details

该灯具的宏观散热结构设计非常优秀，采用横流风扇使空气进行有效对流循环，但这种过分依赖空气对流的设计极易受到使用环境的影响；此外，从图中可知，对流空气对腔体的散热路径实际上被导热能力很差且相对静止的空气所阻隔。从不影响整体美观和扁平化要求考虑，横流风扇的设计必须保留，同时建议将支撑柱进行开孔或直接制成网状结构，以让反射罩和支撑柱之间阻隔散热的静止空气流动起来，然后再根据实际情况进行优化。

3 结论

(1)该灯具失效和正常灯珠内部结构一致，均为串联连接；失效灯珠封装胶体和正常样品一样均为有机硅树脂材料，灯具整体散热性能对灯珠失效没有影响；

(2)灯珠封装胶体靠近芯片和灯珠外表面变色严重，封装有机硅树脂材料的失效是LED芯片热量和腔体内积聚热量的双重作用的结果；

(3)引入主动散热技术，建议将灯具支撑柱进行开孔或直接制成网状结构，以让反射罩和支撑柱之间阻隔散热的静止空气流动起来，然后再根据实际情况进行优化。