濕熱環(huán)境下LED燈具的多物理場耦合分析研究.pdf

1、LED具有體積小、功耗小、壽命長、反應速度快、環(huán)保等優(yōu)點,被行業(yè)認為是能帶動21世紀照明變革,并且能替代傳統(tǒng)照明燈具的潛力商品。隨著LED產(chǎn)品應用領域的拓寬,如室內(nèi)照明、道路照明、汽車照明等,會遇到高溫、高濕、熱沖擊、振動、鹽霧、靜電、過電流以及沙塵等多種惡劣條件,失效情況屢屢發(fā)生。由此可見,尋找有效且能迅速發(fā)現(xiàn)LED燈具失效位置及失效機理的方法,是提高大功率LED照明產(chǎn)品可靠性的挑戰(zhàn)之一。本文主要采用數(shù)值模擬、試驗與理論分析相結合的方

2、法來研究濕熱環(huán)境下的LED燈具的可靠性問題,具體工作包含以下幾個方面:
　　(1)通過動態(tài)機械分析儀測定了多頻條件下LED封裝用硅膠的儲能模量E′、損耗模量E″、損耗角正切tanδ及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg等重要參數(shù),并根據(jù)時溫等效原理構建硅膠儲能模量的主曲線,擬合出有限元軟件ANSYS所需的參數(shù)。同時,通過數(shù)值模擬對比分析了硅膠的線彈性與粘彈性對LED力學性能的影響。
　　(2)根據(jù)質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律以及Fick第二定律

3、,建立濕熱環(huán)境下LED燈具的相關數(shù)學模型。并結合數(shù)值模擬方法分析了濕熱環(huán)境下LED燈具的溫度場、濕度場、熱—結構耦合場、濕—結構耦合場及熱—結構—濕耦合場的分布。
　　(3)采用實驗與仿真相結合的方式進行多物理場分析。運用熱瞬態(tài)測試儀T3Ster所得的電熱轉(zhuǎn)換效率用于溫度場仿真分析,并結合熱敏電阻所測真實溫度驗證仿真結果。此外,通過高溫高濕(85°C/85％RH)實驗研究吸濕對于LED燈具光學性能的影響,對比吸濕前后熱阻,分析并驗

4、證熱濕耦合時的溫度場分布。結果表明,數(shù)值模擬結果與實際測量結果非常接近。
　　(4)運用多物理場耦合分析方法,對LED燈具在無濕度作用與有濕度作用下的兩種步進溫度加速試驗方案進行有限元仿真分析。同時具體實施了兩種試驗方案,并對試驗樣品進行光學檢測及解剖分析。從失效現(xiàn)象及退化現(xiàn)象兩方面,比較有無濕度作用下仿真結果與實驗結果的一致性,以驗證多物理場分析方法的可行性。
　　研究結果表明:第一,運用DMA所測參數(shù)進行有限元力學分析,

5、結果更接近真實情況。其中,僅分析兩種物理場耦合時,熱—結構耦合應力遠高于濕—結構耦合應力;但同時分析三個物理場時,熱—結構—濕耦合應力的最大值約高于熱—結構耦合應力52.3%。第二,高溫高濕試驗對LED燈具的光學性能有較大影響。經(jīng)300小時試驗后其光通量衰減率高達11.57%,色溫也發(fā)生緩慢變化,但吸濕對溫度分布的影響并不大。第三,對無濕度與有濕度兩種步進加速試驗方案進行仿真時都觀察到:隨著溫度的上升,電極與LED基板間、燈頭處的應力值