LED产品的发热和安全绝缘问题分析

1、技术创新 TechnologyandInnovationLED 产品的发热和安全绝缘问题分析黄永雄 王英程梁建斌(1番禺出入境 疫局广 番禺5114022广 出入境 疫局技 中心广 广州510623)提要： 常 LED 品的 构 行分析，介 了LED照明 品的散 技 ，分析了LED 品在 用中的 及安全 问题，提出提高 LED 品安 全 的方法。关 ：LED； ； ；散 Abstract： Analyzethe structureofthe common LED products，introducethe heatdissipation technologyofLED product， ana

2、lyze theheat dissipation and safe insulationproblem fo LED products， proposedwaystoimprovethe insulation oftheLED product Key words：LED； insulation； heat； heatdissipation引言随着 LED技 快速 展，LED照明 品，特 是大功率LED照明 品正在成 新一代光源，但其照明封装和 用方面的 随之 出来，其中最 关 的就是如何解决大功率LED照明 引起的 ， 不 与 构 和工程 用等方面的技 性能 相关连 ，也涉及到散 致安全 。1

3、 LED工作时的发热及散热技术分析为让 LED 更亮的光而需要 入更高的功率，然而目前高功率 LED的光 效率(WalPlugEficiency；WPE) 仍然有限，一般 有 1525 的 入功率成 光，其余 会 成 能。由于 LED晶片面 很小 (lmm )，因此使高功率 LED 位面 的 量 ( 密度 )非常高，甚至 一般的 Ic元件更为严 重，也使得 LED 晶片的接面温度 (JunctionTemperature)大 提升，容易造成 。 高的晶片接面温度会使 LED的 光亮度降低，其中以 光的衰减最 明 。也会造成 LED的波 偏移而影响演色性，更会造成LED可靠度的大幅降低，如 1所

4、示，因此散 技 已成 目前 LED技 展的瓶 。因此散 的挑战较 大，必 从晶片 级 、封装 、PCB 到系 模组层级，都要非常重 散 ，并 求最佳的散 方案。 于 LED照 明 品而言，由于系 端的散 限制 大，因此其它 的散 需求就更明 。 于 LED 题，最基本的分析方法就是利用 阻网路 行分析。也就是将LED由晶片 源到 境温度的主要散 路径建构 阻网路，然后分析各 阻 的特性及大小，如此可以推算理想状况 的晶片温度，并 阻网路各部分下 策以降低 阻 。目前在晶片到封装 性能 佳的散 ，包括：11共融合金基板及覆晶形式等 计 ，使 更容易从晶片 到封装中。而增加晶片尺寸以降低 密度也是

5、可行的方向。各种 路基板的 特点， 表 l。12在封装散 技 上，利用高 金属 (Al，cu)的散 座。各种材料的 系数如表 2所示。(I|S i70)Lj血豳Mfro G心 LLlXEOIK2| lL 王0Aj 堋t氐 、II loo llO I2o 130 140 150 l l70 180 190 2uactimlT蜘 咖c)图 1 元件寿命和晶片温度的关系项目基金：广 疫局科技 划 目 (2011GDK35)36 2012年 5月日用 器一技术创新 日用电器表 l 各种 路基板的 特点表 2 各种材料的 系数基板 型特点材料 系数 wmK普通印制 路板技 成熟，具有 Layout上 的

6、 ，散 性能差、FR4 (普通印制板的玻璃 )O2尺寸大，只适合于低功率 品氧化 17-27柔性印制 路重量 ，可弯性，厚度薄， 率 ：氮化 1702302 3WmK金315高 系数 基板印制板基底 板， 率 122wmK银425陶瓷覆 板 DCB 翠向， 200800WmK，制作 凼难 ，小铜398易量 13高 陶瓷基板 (A1N，SiC)等 可将晶片的 迅速 散，有效降低封装 阻 。14在 PCB 级 的散 设计 上，和 传统 PCB不同的地方主要是由于 LED 密度太 大， 统 FR4+ 箔 的散 能力有限，因此需要藉由 厚的金属层以降低 散 阻 (SpreadingResistance

7、)，此种 构称 MCPCB(MetalCorePCB)。MCPCB的基本 构包括 厚的金属 、介电层及 箔 。可将封装的 一步 散并迅速 到系 模 的散 元件，以 小 阻 。15 了降低元件 阻 值 ，目前一些 设 采用 Chipon board的 ，直接将 LED 晶片 在 MCPCB上，而减少封装材料及 Solder界面材料 的 阻 ，因此提升散 效果，目前 多公司的 品也采用此种 方式 (LaminaInc，CitizenInc，OSRAM Inc，AvagoTechnologies)。然而，此种 增加了光学 的困 及造成制作可靠度 ， 上 复 。1 6散 模 的散 设计，由于自然 流散

8、 能力有限。因此由散 模 散到空气中的 阻一般都占了 重的比例。和 子 品不同的是。一般 子 品系 有通 口，因此 PCB可透 流及 射 到空气，而 LED照明 品 多是密 的，因此限制了元件的散 能力。由于散 模 走 的能力和散 方式有很大关系，如何既符合 灯具 格，又提升与空气接触面积、提升 流系数或是增加 射 效果是主要 方向。1 7 管 。在很多 合需要把 LED所 生的 量以最快的速度 送到散 器， 在采用集成式的 片大功率 LED中尤其重要，因 它的 量很大 (功率可达 50W一100W)又很集中 (有 只有 30mm)， 候可采用 管散 。 管也称 相 器，因 在其中的液体从液相

9、 气相而导热。它的 阻非常小，大 只有 0065 W。2 常见 LED产品的结构、发热和安全绝缘的关系分析 方便替 以及 成本，一般 LED灯具的外形和 灯具基本相同，如：类似普通白炽灯 E27或El4的灯头，与传统 光灯灯管 度和两端灯 尺寸符合国 定的外形， 方便直接替代 光源，减少或免除 原灯具的改 ， 也 致目前市 上几乎所有 LED球泡灯或 LED光管的 源都是内置式的，即 源放置在光源里面， 源和LED工作 都会 生 量，二者的 量会相互重叠影响，从而使驱动 源和 LED更 ， 而影响到 源和 LED的性能和寿命。随着功率增加，LED所 生 流之中的 无法有效散出， 致 光效率 重

10、下降。对于 LED使用寿命的定 是：当 LED 光效率低于原 光效率之70时，可 为LED寿命 。LED 光效率会随着使用 及次数而降低，而 高的接面温度 会加速 LED 光效率衰减，随着芯片技 的日益成熟， 一的 EDL芯片 入功率可达到 5W，甚至更高，所以防止 LED工作温度 高也越来越 得重要。若 不能有效的将芯片 量散出，接踵而来的 效应也会 得越来越明 ，使得芯片接面温度升高， 而直接减少芯片射出的光子能量，降低出光效率。温度的升高也会使得芯片加速老化、光衰、色偏移、 射出的光 生 移，色温 量下降。目前，市 上的大功率 LED光源普遍采用 “芯片 一 基板一散 器三 构模式”，即

11、先将芯片封装在 基板上形成 LED 光源模块，然后将光源模 安置在散 器上。且大部分大功率LED照明光源配件中， 大部分由金属材料 成，包括 合金外壳、 基板等，例如图2便是一个典型 LED 品的内部 构，我 可以看到灯体从外壳到内部的 基板，几乎是全金属 构，ElectricalAppliancesMay2012 3技术创新 TechnologyandInnovation图 2 LED产 品内部结构大量金属的使用增强了 LED光源模块的散热能力。但 如果设计、制作 r【艺 、材质采用、电源质量等稍有不慎，这些金属部件很容易导致安全绝缘性能的下降，导致通不过介电强度的测试。在实际应用中，从设计

12、、制作工艺、材质采用、驱动电源质量等方面都可以改善安全绝缘达到标准要求，如，改变 LED芯片的分布位置，增大爬电距离，增厚铝基板绝缘层厚度，选用质量较好的驱动电源，在铝基板外圈增加绝缘圈，在铝基板和外壳之间的接触面增加绝缘散热涂层等等。按照 GB249062010普通 照明 50V以上 自镇流 LED灯安令要求的要求，国内额定电压为 220V的 LED产 品，在进行潮态试验后，需在灯头和易触及部件间进行电压为 4000V耐压测试，由于 LED照明光源为 了散热而往往采用了金属外壳，与采用玻璃、塑料、陶瓷等材质外壳的传统灯具相比，更容易导致击穿。在标准 IEC 62560：2011中也有类 似要

13、求，对于额定电压为 220V的 LED产 品，需在灯头和易触及部件间进行电压为 2920V的耐压测试。由此可见，LED灯具比起普通传统灯散热要求高，为提高散热，采用了大量金属件方便散热，但也会使安全绝缘降低。稍有不慎，极易导致 LED灯的介电强度达不到标准要求，而且在实际检测中往往会发现即使通过了介电强度检测，LED芯片也经常有暗亮的漏电现象，这说明了LED灯具比起传统普通灯具在安全绝缘方面有更高的要求。因此在设计、工艺、制造上，更要处理好 LED的散热 和安全绝缘的关系，两者既是矛盾，也是一个统一协调的关系，必须引起设计者、制造者、使用者足图 3够重视，才能提高 LED灯的效率，增强 LED

14、灯的安全性，LED灯的推广应用才能获得长足进步。3提高 tE1)产品安全绝缘的方法目前绝大多数的 LED灯具 中都采用了铝基板。铝基板上电路的铜箔为了要导电和导热要有足够的厚度和宽度，其厚度在 35280 m之间。其宽度最好尽可能布满整个基板，以便把热传下去。而下面一层绝缘体则要求其绝缘性能很好，而且还要导热性能很好。然而这两个性能是矛盾的，通常都是导体的导热性能好，而绝缘体的导热性能差，又要导热好又要绝缘好是很难做到的。仍然是以上述 LED灯为例，见图 3，该灯被击穿的破坏位置从铝基板边缘的 LED芯 片开始，进而击穿部分中心的 LED 芯片，由于铝基板导电 (安装 LED芯片的另一面 )，

15、根据击穿发黑痕迹在铝基板边缘，可以判断电压是从铝基板边缘通过爬电方式击穿 LED芯片。铝 基板是目前 LED灯 比较常用的安装LED芯片的方式，采用铝基板既是为了良好散热，也是为了导电性，其导电性必然会影响到 LED灯的绝缘性能 ，加上散热的金属外壳等大量金属部件，LED灯的绝缘性能比起普通传统灯具要求更高。按照LED的散热需求，我们可以从设计、制作 I：艺 、材质采用、电源质量等方面人手，提高LED灯的绝缘性能，其实，只要我们平时稍加注意，就能明显提高 LED灯的绝缘性能 ，又兼顾到 LED的散热需求 ：(1)电源一定要恒流，质量过关。LED半导体的特性决38 2012年 5月日用电器 技术

16、创新 日用电器定其受环境影响较大。譬如温度变化升高，LED的电流增加，电压的增加，LED的电流也会增加。长期超过额定电流工作，会大大缩短 LED的使用寿命。而 LED恒流就是在温度和 电压等环境因素变化时，确保其工作电流不变。上述 LED灯 试验更换性能质量更好的电源后，耐压安全绝缘性能大幅提升，在高压试验的升压过程中，LED芯片的暗亮延迟到较高电压才出现。不仅如此，由于很多 LED灯，特别是大功率的，电源是内置，电源的热量也就加入到管内，使得 LED的散热又增加的一份困难，使得靠近电源的这些 LED受到更热的烘烤，因而寿命也比其他地方的 LED更短 ，而且把电源放到管子里面，电源本身还要承受

17、由 LED产生的很高的环境温度，这就大大降低了电源里的电解电容的寿命，也就降低了整个灯具的寿命。因此，LED日光灯电源是 LED 13光 灯中最重要的部件，选择不当，LED灯不能发挥出性能，甚至不能正常使用。(2)LED芯片的布置位置要注意增大爬电距离和电气间隙，有足够的安全距离。由于LED灯对散热的特别要求，因此，LED灯从外壳到内部，存在很多导电的金属件，如铝合金型材等，内部有电源带电，铝基板上也有电，接头也会带电，内部之间紧密接触，如果绝缘距离没做好，电就会通过爬电、直接击穿绝缘间隙、甚至是直接接触到外面的铝型材料上，导致灯具外壳带电，在实验室检验时，表现为不能达到耐压强度的要求。上述

18、LED灯也是如此，铝基板外圈的 LED芯片距离导电的外壳和基板边缘距离过短，导致绝缘距离被试验电压击穿，烧毁部分 LED芯片 ，经更换重新布置 LED芯片 的铝基板模块，同样，耐压安全绝缘性能大幅提升，在高压试验的升压过程中，LED芯片的暗亮延迟到较高电压才出现。(3)铝基板增加绝缘胶圈。由于光照度和发光强度等对LED灯的特定要求，某些铝基板上的 LED芯片要分布在边缘位置，或者在成品做出后，为避免更换高成本的铝基板，可以l缶时在铝基板外圈增加绝缘胶圈做为附加绝缘措施，上述 LED灯的制作方也是通过这种相对低成本的方式对安全绝缘不符合项进行整改，既没有增加很大成本，也没有改变原 LED灯 的散热效能。(4)增厚铝基板上的绝缘层，增加导热膏。这种方式经过试验，也是可行的，但由于铝基板都是在市场上采购，都有固定的规格，成本可能会有一定提高，而且，相对来讲，稍复杂，性价比不高。(5)大功率 LED漏电还和芯片品质不好、静电击穿这两个主要因素有关，如非正规渠道流入市场的芯片，圆片切割工艺缺陷，封装生产的时候未能做好静电防护措施，二极管焊接的时候烙铁未良好接地，LED灯