LED照明熱分析、可靠性及創(chuàng)新設(shè)計(jì)討論

　　元件及系統(tǒng)的散熱與可靠性是半導(dǎo)體照明的兩大重要議題，在奧地利工業(yè)重鎮(zhèn)林茨舉行的EuroSimE2011國際學(xué)術(shù)會(huì)議期間，國際專家圍繞這兩大議題，進(jìn)行了學(xué)術(shù)報(bào)告與交流，解答了諸如如何使用如碳納米管進(jìn)行散熱？如何使用仿真準(zhǔn)確預(yù)測(cè)8W替代型燈泡及3W LED陣列的散熱情況？如何突破LED芯片仿真的局限進(jìn)行整個(gè)燈具系統(tǒng)的可靠性仿真等問題。會(huì)上，2個(gè)歐洲大型、跨國半導(dǎo)體照明研究項(xiàng)目SE2A (汽車電子元件開發(fā)、汽車SSL頭燈)與CSSL(替代型球泡燈)的項(xiàng)目主管，對(duì)這兩個(gè)項(xiàng)目的概況，管理方法與進(jìn)度進(jìn)行了匯報(bào)。

　　半導(dǎo)體照明熱分析以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)

　　關(guān)于半導(dǎo)體照明的熱力分析以及散熱設(shè)計(jì)，其中，來自香港科技大學(xué)的張凱介紹了如何使用壓電材料制成的主動(dòng)冷卻系統(tǒng)以及碳納米管為導(dǎo)熱界面材料來解決高亮度發(fā)光二極管的散熱問題。使用主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的最大好處是它的散熱效率。這個(gè)研究發(fā)現(xiàn)使用主動(dòng)冷卻系統(tǒng)能降低溫度高達(dá)37℃。使用壓電材料制成的主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的最大好處是它沒有機(jī)械部件，因此，少了機(jī)械部件的磨損將增加主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的壽命以及可靠性。

　　代爾夫特大學(xué)的葉懷宇發(fā)表了其項(xiàng)目組關(guān)于半導(dǎo)體照明的熱力分析以及如何通過更有效的設(shè)計(jì)來解決其散熱問題的成果。采取與張凱不同的散熱途徑，他主要采用被動(dòng)冷卻系統(tǒng)以便降低照明系統(tǒng)的成本。他提倡通過最優(yōu)化設(shè)計(jì)LED的散熱通路來解決其結(jié)點(diǎn)高溫的問題，這包括重新設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)的架構(gòu)來增加散熱功效。

　　捷克理工學(xué)院的Jiri Jakovenko發(fā)表了關(guān)于半導(dǎo)體照明8W替代型燈泡的熱模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該作者針對(duì)替代型燈泡的LED封裝、驅(qū)動(dòng)電子、散熱機(jī)構(gòu)、光轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、二次光學(xué)機(jī)構(gòu)，皆進(jìn)行了仿真，并且以實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)與仿真的誤差只有百分之十。他認(rèn)為，仿真技術(shù)能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)節(jié)溫。

　　來自桂林電子科技大學(xué)的Fengze Hou對(duì)3W LED陣列系統(tǒng)的散熱鰭片的熱力性能分析以便可以更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)半導(dǎo)體照明燈具的溫度。代爾夫特大學(xué)的Sima Tarashioon 則以實(shí)驗(yàn)方法研究半導(dǎo)體照明的驅(qū)動(dòng)電子元件在高溫下的性能衰退現(xiàn)象，例如在110℃的溫度下，一個(gè)陶瓷電容器（標(biāo)稱使用溫度125℃）已經(jīng)使整個(gè)集成電路的效率下降了2%~3%。一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路是由幾個(gè)陶瓷電容器和電感所組成的。在高溫下，驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)際效率將大大區(qū)別于設(shè)計(jì)效率。

　　有關(guān)可靠性問題的突出觀點(diǎn)或共識(shí)

　　關(guān)于半導(dǎo)體照明的可靠性分析成果。飛利浦照明的WillemVan Driel總結(jié)了照明行業(yè)中幾個(gè)在半導(dǎo)體照明系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)方面的重要研究。由于半導(dǎo)體照明系統(tǒng)是由燈具、供電、通信和控制子系統(tǒng)構(gòu)成的大型復(fù)雜系統(tǒng)，WillemVan Driel認(rèn)為半導(dǎo)體照明工業(yè)界應(yīng)該跳出只考慮LED芯片壽命的思路，而要進(jìn)一步考慮總體系統(tǒng)可靠性。
針對(duì)系統(tǒng)可靠性，他描述了2個(gè)最新的系統(tǒng)可靠度仿真技術(shù)MonteCarlo 方法，以及BBN + Marckov Chain方法。他特別強(qiáng)調(diào)因?yàn)榘雽?dǎo)體照明的高速發(fā)展，新結(jié)構(gòu)、新概念燈具/系統(tǒng)將導(dǎo)致老的失效機(jī)制與模式不再成立，新的失效模式以及加速老化試驗(yàn)的方法研究至關(guān)重要。代爾夫特大學(xué)的Sau Koh論述了如何能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)環(huán)氧樹脂在溫度和電壓變化下的壽命的模型，這個(gè)模型能更真實(shí)描述燈具環(huán)境。因此，它能更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)壽命。比如，一個(gè)在25℃勻溫室外照明的壽命要比在冬夏環(huán)境下的外照明的壽命短的多了。此外，來自英國格林威治大學(xué)的C. Bailey 講述如何運(yùn)用現(xiàn)有的多學(xué)科仿真技術(shù)來預(yù)測(cè)應(yīng)用在特殊環(huán)境下的LCD屏幕的LED背光源設(shè)計(jì)方法。他們同時(shí)考慮：熱、使用者視覺效果和可靠性等設(shè)計(jì)參數(shù)的交互作用，并尋求最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　目前，歐盟的大型半導(dǎo)體照明研究項(xiàng)目”SE2A”與“CSSL”中，SE2A開發(fā)可靠性高的汽車電子元件、系統(tǒng)，包括SSL頭燈與其驅(qū)動(dòng)電子的開發(fā)，該項(xiàng)目的運(yùn)行時(shí)間約為3年，共有21家公司、研究院所及大學(xué)參加，總預(yù)算超過2100萬歐元。CSSL主要關(guān)注SSL替代性球泡燈的開發(fā)與商業(yè)化，包括LED芯片與封裝、驅(qū)動(dòng)電子、光學(xué)部件與散熱機(jī)構(gòu)等等，該項(xiàng)目的運(yùn)行時(shí)間約為3年，總預(yù)算為2700萬歐元。EuroSimE是每年舉辦的國際性學(xué)術(shù)會(huì)議，主要關(guān)注微電子與微系統(tǒng)中熱、機(jī)械、與多尺度物理的仿真與實(shí)驗(yàn)方法。自2000年以來，已舉辦12屆。并獲得世界各地的大量回響與高度參與，同時(shí)受到IEEE-CPMT （國際電子與電氣工程師協(xié)會(huì)元件制造與封裝分會(huì)）大力支持。今年來自自奧地利林茨工業(yè)大學(xué)、Bosch、Philips、Siemens、TNO（荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織），荷蘭代爾夫特大學(xué)，美國馬里蘭大學(xué)，中國桂林電子科技大學(xué)，香港科技大學(xué)等多個(gè)國家和地區(qū)的學(xué)者，以及Infineon、NXP、Ansys等大型國際性企業(yè)的代表，開展了深入的學(xué)術(shù)探討及廣泛的應(yīng)用合作。