中心議題：
解決方案：
- 利用壓電驅(qū)動而產(chǎn)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(guān)標準缺乏,、價格昂貴等一系列問題困擾著LED照明產(chǎn)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" title="LED模組">LED模組和燈具" title="燈具">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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)據(jù)去研究LED的結(jié)構(gòu),、材料,、工藝從而更好完善LED產(chǎn)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?，F(xiàn)在的LED技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機遇,。企業(yè)的目標主要是保證產(chǎn)品長期的可靠性，例如,，根據(jù)產(chǎn)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(chǎn)品現(xiàn)在只有2-3年壽命,。對于50000～100000小時的SSL系統(tǒng)(包括電源驅(qū)動)，有必要進行可靠性設計,，以符合產(chǎn)品的高要求,。
目前，如何通過加速老化試驗準確地預測LED產(chǎn)品的可靠性還是相當有挑戰(zhàn)性的,。對于LED產(chǎn)品的長期可靠性,，應當關(guān)注如何建立用加速試驗來反映產(chǎn)品中出現(xiàn)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(guān)于LED的各種破壞機理,。
據(jù)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(qū)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,。
LED照明系統(tǒng)的熱管理
高亮度LED的亮度會隨著芯片的結(jié)溫成指數(shù)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(guān)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(chǎn)生的熱量，首先由導熱經(jīng)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(shù)已經(jīng)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(shù)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(jié)果有助于預測器件內(nèi)部溫度或濕度的分布。根據(jù)仿真結(jié)果,，可以對產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化從而改善整個系統(tǒng)的性能,，在一個比較經(jīng)濟合理的范圍里搭建試驗車，大大縮短產(chǎn)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(shù)相對較低,，現(xiàn)在出現(xiàn)了新型的高熱導的基于碳納米管的熱界面材料。據(jù)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(jù)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(chǎn)生脈動空氣，從而可以把LED燈內(nèi)部的熱直接帶到外面,。據(jù)了解,，SynJet技術(shù)可以幫助設計師解決一些產(chǎn)品的散熱問題，如電腦產(chǎn)品,，特別是高可靠性的LED產(chǎn)品,。該技術(shù)有高散熱效率、低噪音,、高可靠性和低功耗等優(yōu)點,。
另一種主動冷卻系統(tǒng)是利用壓電驅(qū)動而產(chǎn)生脈動空氣，如圖4所示,。該結(jié)構(gòu)簡單,，由一個PZT膜片和流動通道構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jīng)過六年的不斷積累所發(fā)明的成果,。他們曾經(jīng)是美國普渡大學研究人員,，現(xiàn)在就職于Thorrn微技術(shù)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(chǎn)生動能,，從而推動空氣產(chǎn)生吹風效果,。他們還提到，希望將來該技術(shù)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(guān)注,，主要因為自然冷卻對于LED照明系統(tǒng)中已經(jīng)遠遠不夠，并且產(chǎn)生許多相關(guān)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(zhì)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,。