某燈具LED燈珠封裝膠體失效分析

馮博楷，王君兆

(1.菏澤學院機電工程學院，山東 菏澤 274000；2. 深圳美信檢測技術股份有限公司，廣東 深圳 518108)

0 前言

與傳統光源相比，基于LED的照明具有節能、環保的優點[1-2]。但LED發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]。不能及時散失的熱量會加速LED器件的老化，縮短燈具的使用壽命。近年來對LED散熱問題進行了較多研究[6-8]，但對實際使用過程中失效問題的分析卻不多見。本文針對某LED燈具在老化過程中出現燈珠封裝膠體變色和脫落失效現象，通過理化分析和驗證仿真分析，闡明其失效原因，為此類LED燈珠的失效控制與預防提供參考。

1 實驗部分

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扇主動散熱，LED燈珠所在鋁基板背部采用石墨與燈具散熱結構進行連接，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。燈具在老化過程出現如圖1(b)所示的LED燈珠發黑和膠體脫落的失效現象。

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

1.2 主要設備及儀器

X光測試儀(X-RAY)，XD7500NT，英國DAGE公司；

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

LED燈具老化試驗箱，09001，蘇州易華機電有限公司。

1.3 性能測試與有限元分析

理化性能測試：對失效燈珠進行切片觀察，確定發黑或脫落膠體的位置和形狀；同時，采用DAGE XD7500NT X-RAY透視顯微鏡對燈珠樣品進行內部觀察，以確定燈珠內部結構對其失效的影響；對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成分；采用熱成像儀，對燈具整體進行分析，鑒別不同微區溫度差異，分析對燈珠膠體的影響；

ANSYS有限元分析和模擬驗證：利用ANSYS 軟件對燈珠進行熱穩態分析，判斷溫度的分布對整個燈珠的影響；設計對流散熱模擬實驗，并采用ANSYS對不同對流條件進行有限元分析，探討燈珠封裝膠體失效的原因；采用LED燈具老化試驗箱，驗證封裝膠體失效原因。

2 結果與討論

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，發黑現象越嚴重。

(a)失效燈珠切片 (b)正常燈珠切片圖2 切片分析照片Fig.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。可知，正常樣品和失效樣品的內部結構完幾乎一致，各燈珠串聯連接，單獨供電。

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

2.2 FTIR分析

對失效燈珠樣品變色位置和正常位置進行FTIR測試，結果如圖4所示。結果說明失效樣品上發黑物質材料與正常位置的膠體材料沒有明顯差異，均為有機硅樹脂材料。

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燈珠失效的影響，分別對燈珠串聯和并聯兩燈具進行紅外熱像分析，樣品整體溫度分布如圖5所示。

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

可見，2種燈具整體溫度無太大差異，串聯連接燈具出光面最低溫度22.16 ℃，最高溫度54.86 ℃。并聯連接燈具出光面最低溫度為21.66 ℃，最高溫度為55.97 ℃。發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各位置燈珠溫度沒有明顯差異，也無規律呈現。在該散熱結構下，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導熱能力。可知，整體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證2.4.1 穩態熱分析

由于燈珠被設計在一個相對封閉的空間內，無法在不破壞燈具的情況下準確評價內部的散熱性能，現使用有限元分析方法對燈具散熱性能進行數值模擬分析。為保證數值模擬的準確性，對模型各部分材料導熱性能進行優化，基板上LED燈珠芯片的導熱系數為40 W/m·K，透鏡的導熱系數為1.3 W/m·K，基板為鋁基板且有石墨導熱層，其導熱系數為60 W/m·K，整個簡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，優化后燈珠的熱阻基本達到燈珠規格書中的5 K/W。燈珠簡化模型如圖6所示。

圖6 簡化模型圖Fig.6 Simplified model diagram

將2 W的熱功率作用在燈珠簡化模型的芯片表面，經過有限元分析計算得到燈珠穩態溫度分布云圖如圖7所示。

圖7 燈珠穩態熱分布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59.99 ℃。隨著遠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光表面和鋁基板2個方向并不一致，燈珠發光表面溫度約為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)，計算得燈珠模型熱阻為5 K/W，該數值與規格書要求一致。數值分析結果顯示燈珠封裝膠體內的溫度分布與切片觀察到的燈珠芯片部位發黑程度相關，因此懷疑燈珠封裝膠體發黑失效與其不能進行有效熱管理相關。

2.4.2對流模擬試驗和分析

失效現象出現在燈具老化過程中，且該款燈具主要依靠風扇進行強制對流散熱，因此設計實驗對比老化環境對燈具散熱的影響：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量燈珠附近的溫度，對流模擬實驗結果如圖8所示。

圖8 對流模擬試驗結果Fig.8 Experimental results of convection simulation

可知，當熱電偶距離燈具發光表面30 cm時，溫度為61 ℃，隨著高度的減少，當高度為20 cm和10 cm時，熱電偶溫度顯示分別為84、92 ℃。可見，燈具的使用環境對其散熱影響很大。

在上述對流條件下的，燈珠所在的相對密閉腔體內的散熱情況無法直接測量。由于紅外熱像分析顯示樣品散熱結構上的溫度分布較均勻，因此可通過簡化模型的方式，以對流驗證試驗中所測結果(圖8)作為邊界條件，再次使用有限元分析方法對上述不同對流條件下的散熱情況進行分析，分析結果如圖9所示。

(a)對流情況較好 (b)對流情況較差圖9 有限元分析結果Fig.9 Finite element analysis

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

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

樣品燈具使用如圖10所示的橫流風扇進行強制對流散熱，可分為向上和向下2條路徑。從上述紅外測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良的結構設計和PCB板背部高導熱材料石墨的使用；而向下散熱表現較差，導致熱量在燈珠所在的密封腔內積聚。在對流情況較差的情況下，燈珠的封裝膠體同時受到LED芯片熱量和腔體內積聚熱量的雙重作用，出現了膠體發黑和爆裂脫落的現象，這與切片分析中膠體發黑現象的分布情況相一致。更嚴重的是，有限元分析對結構模型做了一定程度的簡化，而實際的燈具老化環境更加惡劣。

2.4.3驗證與建議

將正常燈珠樣品放置在恒溫箱內進行通電驗證，在正常工作電流(單顆燈900 mA)條件下，由于缺少了散熱結構，且恒溫箱相對密閉，很快出現了膠體發黑和脫落的現象，失效現象得到復現。

實際上，該款燈具全功率工作時的電功率達到150 W左右，這對散熱結構的設計是一個巨大的挑戰，在產品功能性、扁平化的前提要求下，幾乎不可能通過被動散熱方式實現有效熱管理，所以必須引入主動散熱技術。該燈具結構示意圖如圖11所示。

圖11 燈具結構示意Fig.11 Structure details

該燈具的宏觀散熱結構設計非常優秀，采用橫流風扇使空氣進行有效對流循環，但這種過分依賴空氣對流的設計極易受到使用環境的影響；此外，從圖中可知，對流空氣對腔體的散熱路徑實際上被導熱能力很差且相對靜止的空氣所阻隔。從不影響整體美觀和扁平化要求考慮，橫流風扇的設計必須保留，同時建議將支撐柱進行開孔或直接制成網狀結構，以讓反射罩和支撐柱之間阻隔散熱的靜止空氣流動起來，然后再根據實際情況進行優化。

3 結論

(1)該燈具失效和正常燈珠內部結構一致，均為串聯連接；失效燈珠封裝膠體和正常樣品一樣均為有機硅樹脂材料，燈具整體散熱性能對燈珠失效沒有影響；

(2)燈珠封裝膠體靠近芯片和燈珠外表面變色嚴重，封裝有機硅樹脂材料的失效是LED芯片熱量和腔體內積聚熱量的雙重作用的結果；

(3)引入主動散熱技術，建議將燈具支撐柱進行開孔或直接制成網狀結構，以讓反射罩和支撐柱之間阻隔散熱的靜止空氣流動起來，然后再根據實際情況進行優化。