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LED照明燈具的可靠性及安全標準分析
2016-07-15     來源:日用電器    作者:朱秋曙 沙磊 唐家麒 李敏 王英程    瀏覽:511    評論:2        
導讀:摘要:LED照明產品在近幾年發展迅速,產品市場增長非???。在各種各類的新型LED照明產品出現于市場上的同時,其可靠性及安全性也出現了許多隱患。本文著重對LED照明燈具的可靠性及應滿足的安全標準要求進行分析綜述。

摘要:LED照明產品在近幾年發展迅速,產品市場增長非???。在各種各類的新型LED照明產品出現于市場上的同時,其可靠性及安全性也出現了許多隱患。本文著重對LED照明燈具的可靠性及應滿足的安全標準要求進行分析綜述。

關鍵詞:LED照明燈具;可靠性;安全標準

概述

這幾年,隨著電子技術飛速發展,發光二極管(LED)獲得突破性進展,使這種由電能轉換成光的半導體器件進入照明領域,由于它豐富多樣的顏色光,方便選色和變色的優勢,適合應用于普通照明、交通信號、航標、廣告、庭園及建筑物景觀照明等需要多種顏色的場所。為了適應各種LED照明燈具的安全要求,相關檢測技術標準及技術規范也迅速發展,最近新頒布的國際標準、國家標準及行業或地方標準數量也較多,且還有一部分LED照明產品國內外標準也正在制定和完善中。

1 LED照明燈具可靠性相關內容分析

1.1 LED照明燈具可靠性問題

LED照明燈具可靠性所涉及內容較多且復雜,從LED芯片制作工藝、模塊封裝、驅動電源設計,到最后LED器件與燈具進行整合組裝成為可直接接入市電的燈具產品,這一系列技術都制約著LED照明燈具的可靠性問題。以下對LED器件可靠性有關基本概念進行分析。

1.2 十度法則

“十度法則”是指某些電子器件在一定溫度范圍內,溫度每升高10℃,其主要技術指標下降一半(或下降1/4)。綜合國內外案例及相關資料發現,LED器件熱溫度在50℃至80℃時,LED壽命值基本符合下度法則。同時,LED器件會因為在封裝工藝上的不同,而導致本身隨著溫度的上升,平均壽命值下降,甚至能下降一半以下。這一特性使LED器件在高溫環境下工作受到限制[1]。

1.3 本質失效、從屬失效

LED器件失效通常有兩種情況:本質失效和從屬失效。本質失效指LED芯片本身引起的失效。從屬失效是由封裝結構材料、制作工藝引起的失效,其中包括封裝結構所用到的材料、工藝、溫度等因素。以上兩種失效都會導致整個LED照明燈具的失效,從而影響后期制作的LED燈具可靠性。

1.4 LED器件可靠性

LED器件是形成LED照明燈具的核心器件,其可靠性直接影響著LED照明燈具的整機性能。LED器件可靠性主要取決于兩個部分:外延芯片及器件封裝的性能質量。

1.3.1 影響外延芯片性能及質量的,主要是與外延層特別是P-N結部分的位錯、缺陷數目和分布情況,金屬與半導體接觸層質量。芯片在加熱加電條件下,會逐步引起位錯、缺陷、表面和周邊產生電漂移及離子熱擴散,使芯片失效,即是上面所說的本質失效。要提高外延芯片可靠性指標,從根本上要降低外延生長過程中產生的位錯和缺陷,提高金屬與半導體接觸質量,從而提高工作壽命的時間。LED封裝熱流模型見圖1。

1.3.2 從屬失效是由于LED封裝引起的,原因復雜,可分為以下內容:

1)封裝材料質量不好,比如導電膠、硅膠、熒光粉、環氧、固晶材料、基座等?!?br /> 2)不合理的封裝結構設計,比如產生應力、引起斷裂、材料不匹配等。
3)工藝技術不成熟,比如固化溫度、壓焊、封膠、裝片和時間等。

為了提高封裝可靠性,在選用原材料方面要嚴格控制質量,在結構上除了出光效率和散熱需考慮,同時需考慮多種材料結合在一起時的熱漲匹配問題。在工藝上,除了每道工序的工藝流程需嚴格控制外,還需不斷完善制作工藝技術,保障LED器件性能和可靠性指標。

1.5 LED照明燈具散熱可靠性

LED照明燈具的散熱水平是決定本身可靠性的關鍵,因此提高散熱水平是關鍵技術之一。解決芯片產生多余熱量可通過熱沉、散熱體傳出去進行解決,其次燈具散熱結構因盡量設計合理,以下是傳統的散熱設計模式:

LED燈具結構的散熱水平也關鍵技術之一,除了要考慮燈具的外觀、效率及配光以外,燈具的成本也是必不可少的一個設計環節。

提高散熱水平,參考以往實驗資料,可以做到以下幾點措施:

1) LED芯片方面,要選用新工藝、新結構,提高LED芯片結溫的耐熱性,降低散熱條件。
2) LED器件的熱阻盡可能降低,選用耐熱性、導熱性較好的新材料,包含熒光粉的混合膠、金屬之間粘合材料等,使得熱阻≤10℃/W或都更低(見圖2)。
3) 控制升溫,降低器件的升溫,采用導熱性好的散熱材料,較好的通風孔道,使余熱短時間內散發出去,要求升溫控制在30℃以內。
4) 合理的散熱,比如利用熱導管,但性價比低,原因是結構復雜,成本高。

隨著LED技術發展的加速,新技術的不斷產生,導致LED的發熱也越來越厲害,所以,除非不斷提高散熱水平,否則會極大地影響LED燈具的性能及壽命。

2 LED照明燈具的安全國際標準

2.1 涉及安全國際標準

目前已有的燈具安全國際標準系列:IE C60598系列,適用于LED燈具,其中包括IEC 60598-1:燈具 第一部分 一般要求與試驗,和IEC 60598-2系列:具體燈具產品標準系列。

2.2 LED照明燈具安全標準分折

LED照明燈具與傳統照明燈具一樣,須滿足國際標準IEC 60598-1通用標準及IEC 60598-2特殊標準的要求。與此同時,LED燈具還應滿足光生物安全要求,這里著重講述IEC 60598系列的相關要求[3,4]:

2.2.1  按防觸電保護型式,LED照明燈具分類為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類。目前,市場上許多LED產品都未能按照標準要求在燈具上明確標出其分類情況,同時,也有部分制造商,將Ⅱ類LED燈具認為是LED燈使用低電壓,忽略了其驅動電源仍然是高壓輸入,從而錯誤地將這類產品標識為Ⅲ類燈具。

2.2.2  通過結構設計把燈具的光學系統、電氣系統和熱系統的位置和相互關系確定機械的作用,使燈具得以安全使用。由于LED 光源的特性,LED 燈有封裝、模組、LED 驅動器、整體式LED 燈、非整體式LED 燈等幾種形式,除了最后兩種形式可能具有與傳統光源燈具類似內部結構以外,其他LED 燈不帶有標準燈頭,這種情況下,LED 燈具具有如下結構特征:

1)不配有燈座的LED 燈具,直接由連接件進行電氣連接,并采用其他方式將LED 燈固定到燈具主體上。
2)LED芯片的導熱系統,采用大量的散熱片,因此燈具的體積和重量比傳統光源燈具大,燈具的安裝結構應作相應考慮,以保證安裝的安全性和可靠性。同時散熱片應設計成容易清潔或不容易積灰的結構,否則,會加快降低散熱片的效率。

另一方面,LED照明燈具在進行電氣強度和絕緣電阻試驗時,帶驅動電源的LED燈具,驅動電源也是考核的重點內容之一。驅動電源試驗內容有輸入帶電部件與燈具外殼之間,同時,驅動電源是否為隔離電源,關系到對LED模組的電氣強度時使用試驗電壓,因此如果為隔離電源,LED模組認為安全特低電壓進行試驗,否則,按非安全特低電壓進行試驗。

最后,關于LED燈具的正常熱試驗和非正常熱試驗,是考核LED燈具在這兩種工作模式下反發出的熱量,是否影響整個燈具以及驅動電源的安全性。因此,燈具使用的導線、配件(如接線端子、燈座等)、安裝表面以及驅動電源的外殼都是重要考核內容。如果采用內裝的驅動電源,燈具應根據其內環境溫度選擇標有相應tc 的驅動器。而驅動器獨立安裝時,則應根據安裝的可能的環境溫度選擇相應tc 驅動器。

3 結束語

隨著LED技術的不斷提升和人們對綠色照明概念的認知能力不斷提高,這對LED制造商的水平要求也不斷提高,不僅要熟悉LED燈具的技術,還要掌握國內外的標準變化,更進一步完善自身制造水平和工藝。同時在設計上要充分考慮LED 燈具光學、熱學和電學特性與機械性能、散熱設計、安裝結構、美學這幾方面的問題,只有將它們作為一個整體、系統地優化,才能設計出符合現行LED 燈具標準要求的產品。

參考文獻
[1]周志敏,紀愛華.LED、OLED照明技術與工程應用[M].北京:電子工業出版社,2011.
[2]毛興武,張艷雯,周建軍,祝大衛.新一代綠色光源LED及其應用技術[M].北京:人民郵電出版社,2009.
[3]IEC 60598.燈具的一般要求和安全要求[S].
[4]IEC 61347.燈的控制裝置[S].

 

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