濕熱環(huán)境下LED燈具的多物理場(chǎng)耦合分析研究.pdf

1、LED具有體積小、功耗小、壽命長(zhǎng)、反應(yīng)速度快、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),被行業(yè)認(rèn)為是能帶動(dòng)21世紀(jì)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(yīng)用領(lǐng)域的拓寬,如室內(nèi)照明、道路照明、汽車照明等,會(huì)遇到高溫、高濕、熱沖擊、振動(dòng)、鹽霧、靜電、過(guò)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(jī)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(yàn)與理論分析相結(jié)合的方

2、法來(lái)研究濕熱環(huán)境下的LED燈具的可靠性問(wèn)題,具體工作包含以下幾個(gè)方面:
　　(1)通過(guò)動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀測(cè)定了多頻條件下LED封裝用硅膠的儲(chǔ)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(shí)溫等效原理構(gòu)建硅膠儲(chǔ)能模量的主曲線,擬合出有限元軟件ANSYS所需的參數(shù)。同時(shí),通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析了硅膠的線彈性與粘彈性對(duì)LED力學(xué)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(guān)數(shù)學(xué)模型。并結(jié)合數(shù)值模擬方法分析了濕熱環(huán)境下LED燈具的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、熱—結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)、濕—結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)及熱—結(jié)構(gòu)—濕耦合場(chǎng)的分布。
　　(3)采用實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方式進(jìn)行多物理場(chǎng)分析。運(yùn)用熱瞬態(tài)測(cè)試儀T3Ster所得的電熱轉(zhuǎn)換效率用于溫度場(chǎng)仿真分析,并結(jié)合熱敏電阻所測(cè)真實(shí)溫度驗(yàn)證仿真結(jié)果。此外,通過(guò)高溫高濕(85°C/85％RH)實(shí)驗(yàn)研究吸濕對(duì)于LED燈具光學(xué)性能的影響,對(duì)比吸濕前后熱阻,分析并驗(yàn)

4、證熱濕耦合時(shí)的溫度場(chǎng)分布。結(jié)果表明,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果非常接近。
　　(4)運(yùn)用多物理場(chǎng)耦合分析方法,對(duì)LED燈具在無(wú)濕度作用與有濕度作用下的兩種步進(jìn)溫度加速試驗(yàn)方案進(jìn)行有限元仿真分析。同時(shí)具體實(shí)施了兩種試驗(yàn)方案,并對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)及解剖分析。從失效現(xiàn)象及退化現(xiàn)象兩方面,比較有無(wú)濕度作用下仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性,以驗(yàn)證多物理場(chǎng)分析方法的可行性。
　　研究結(jié)果表明:第一,運(yùn)用DMA所測(cè)參數(shù)進(jìn)行有限元力學(xué)分析,

5、結(jié)果更接近真實(shí)情況。其中,僅分析兩種物理場(chǎng)耦合時(shí),熱—結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力遠(yuǎn)高于濕—結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力;但同時(shí)分析三個(gè)物理場(chǎng)時(shí),熱—結(jié)構(gòu)—濕耦合應(yīng)力的最大值約高于熱—結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力52.3%。第二,高溫高濕試驗(yàn)對(duì)LED燈具的光學(xué)性能有較大影響。經(jīng)300小時(shí)試驗(yàn)后其光通量衰減率高達(dá)11.57%,色溫也發(fā)生緩慢變化,但吸濕對(duì)溫度分布的影響并不大。第三,對(duì)無(wú)濕度與有濕度兩種步進(jìn)加速試驗(yàn)方案進(jìn)行仿真時(shí)都觀察到:隨著溫度的上升,電極與LED基板間、燈頭處的應(yīng)力值