温度冲击下大功率COB-LED金线可靠性研究

摘要

近年来，随着全球原油资源的不断减少以及节能减排的呼声下，具备节能、环保、长寿命等优势的 LED在人类照明史上赢得了第四代照明光源的称号。目前，大功率集成COB（Chip on board）封装的LED具有功率大、光效高、成本低等优点，使其受到广泛的关注。然而COB封装的LED由于集成多颗芯片，且互连金线比较复杂，在生产、存储和使用过程中不可避免会遇到各种影响因素，比如散热不足、湿度、冲击等，这将严重影响其可靠性。在LED的可靠性研究中，对金线的研究主要集中在单颗芯片的LED上，而对于CO B封装的LED，尤其是其金线排布的研究甚少。因此，本文针对COB封装LED在温度冲击载荷下金线的可靠性进行了实验和仿真分析的研究。
　　本文设计了两组用于温度冲击实验的大功率COB-LED样品，并对其进行了常温实验和温度冲击实验，结果表明：常温下热电偶测得点亮后温度稳定的样品Tc点为58℃，推算出结温为85℃，验证了选取热沉的合理性；温度冲击实验，修正了热电偶引起的误差，推算出样品结温为133.7℃（高温箱）和8.3℃（低温箱）。温度冲击和电流复合加载下的样品 S1和 S2的光通量在前十次出现较大的下降趋势，并逐渐趋于平缓，正向电压出现上升趋势；温度冲击单独加载下的样品S3、S4、S5的光通量和正向电压几乎无变化；而样品S1出现金线的断裂失效发生在第二焊点与金线结合处的颈部，样品 S4因第二焊点根部的虚焊引起部分死灯的现象。
　　本文应用ANSYS Workbench对大功率集成白光COB-LED进行稳态、瞬态热分析以及热-结构耦合分析，得到其热分布、温度变化以及金线的塑性应变和应力状况；将金线排布分为三类（Z系列、B系列和W系列），并分别建立金线模型。结果显示：温度冲击-电流复合加载下以及温度冲击单独加载下的金线等效塑性应变最大的是B系列，其次是Z系列，最小的是W系列。B系列金线在高温-电流复合加载下的等效塑性应变发生在第一焊点，最大能够达到2%，最容易发生疲劳失效。低温-电流复合作用下总变形最大值发生在透镜边缘和无芯片处，合理布局芯片可以改善金线的受力状态，提高金线可靠性；温度冲击对未通电流的样品影响较小；实验与仿真结果对比分析，验证了实验样品S1的失效是由于B系列金线失效引起的，而样品S4因第二焊点的虚焊引起。
　　基于对金线可靠性的分析，提出了金线排布方式的优化方案，即适当延长金线长度，减小第一焊点和第二焊点的高度差，可以减小金线所受到的应力和塑性应变，另外，尽量避免径向焊接的金线排布，改为周向分布，进而这些改进可以提高COB-LED可靠性。
　　综上所述，本文通过实验和有限元仿真研究了大功率COB-LED温度冲击下金线的可靠性，分析了实验前后的光、色、电参数变化，验证了试验中失效样品的金线断裂情况，研究了不同排布下的金线的应力和应变，并提出了提高金线可靠性的技术参考。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 LED的发展及趋势

1.3 市场与行业分析

1.4 本课题国内外研究现状

1.5 本论文的主要工作及内容

第二章 理论基础

2.1 LED发光原理

2.2 COB–LED简介及其封装技术

2.3 LED的光色电热特性

2.4 LED引线可靠性研究方法

2.5 本章小结

第三章 大功率COB-LED的温度冲击试验

3.1 热电偶测试原理

3.2 实验样品及设备

3.3温度冲击实验相关准备

3.4大功率COB-LED温度冲击试验

3.5 大功率COB-LED温度冲击失效分析

3.6 本章小结

第四章 大功率COB-LED金线的热-结构分析

4.1 有限单元法及ANSYS软件简介

4.2大功率 COB-LED的有限元分析

4.3 热力学仿真

4.4 金线的热-结构耦合分析

4.5 实验与仿真对比分析

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及其他科研成果