了得網工業技術_LED封裝與光源熱設計

編輯推薦

本書結合LED封裝和光源燈具設計制作的實際工程經驗，繫統論述了熱設計的基本原理與方法、熱特性的測試方法與評估手段，*後介紹了一種流行的熱特性仿真軟件。本書以發光二極管封裝及光源燈具原理與熱設計為主軸，將LED器件封裝及光源燈具基本技術、熱設計基礎理論及仿真工具、LED熱特性測試與評估相關知識串聯整合，為讀者提供了較為全面的基本原理與實際應用的入門知識，內容集學術性與應用性為一體。本書可作為高等院校相關專業本科高年級學生和研究生的教材和參考書，也可作為半導體照明行業從業人員的培訓資料及相關工程技術人員的參考資料。

內容簡介

本書繫統論述了發光二極管的封裝、燈具原理與熱設計。全書共11章，分別介紹了LED熱設計基礎、傳熱學基礎、LED芯片與熱性能、LED封裝與熱設計、LED光源組件與燈具熱設計、LED器件的瞬態熱測試方法、LED器件瞬態熱測試的實際操作、LED熱仿真分析軟件、LED組件熱特性仿真分析、LED燈具熱仿真分析等內容。
本書將LED器件封裝及光源燈具技術、熱設計基礎理論及仿真工具、LED熱特性測試與評估相關知識融會貫通為一體，為讀者提供了有關LED封裝與燈具熱設計的基本原理與應用，集學術性與應用性為一體，可供相關科研與工程技術人員參考。

作者簡介

柴廣躍畢業於清華大學電子工程繫，長期從事半導體光電子器件與應用技術的科研與教學工作。現任深圳技術大學新能源與新材料學院教授、深圳大學光電工程學院教授，兼中國電工技術學會半導體光源繫統專業委員會副主委、國家半導體照明工程研發及產業聯盟人力資源工作委員會人纔培養工作組負責人、深圳市LED熱管理與故障分析評估中心主任等職，擁有20餘項授權發明專利、獲得國家科技進步獎和發明獎兩次，主編《半導體照明概論》。王剛現任明導（上海）電子科技有限公司MAD部門高級產品應用工程師，在半導體器件熱測試領域有很深入的研究。曾供職於摩托羅拉、飛思卡爾、英特爾等公司，在半導體封裝領域有豐富的實踐經驗。李波同濟大學建築環境與設備工程學士、上海理工大學工程熱物理碩士，主要研究方向為電子設備冷卻技術。曾就職於臺達電子企業管理（上海）有限公司和明導（上海）電子科技有限公司，現為熱領（上海）科技有限公司電子設備熱設計技術主管，負責電子設備熱設計、熱仿真技術的應用、推廣和培訓等相關工作；曾出版《FloTHERM軟件基礎與應用實例》《FloEFD流動與傳熱仿真入門及案例分析》和《笑談熱設計》。
向進畢業於同濟大學，獲得軟件工程碩士和MBA學位。擁有超過15年的半導體行業工作經驗，從事過從研發到市場營銷的多個領域的工作。現負責Mentor公司大中華區的高校業務，推動Mentor 公司的先進技術在國內高校的應用與普及。已經主持建設多所一流高校的校企聯合實驗室，推動高校開設涉及Mentor技術的相關課程，策劃並資助出版多部高端專業圖書。

目錄

上篇LED熱設計基礎

第1章引言

1.1LED技術的發展

1.2LED的失效

上篇LED熱設計基礎

第1章引言

1.1LED技術的發展

1.2LED的失效

1.2.1機械失效

1.2.2腐蝕失效

1.2.3電氣失效

1.2.4光學失效

1.3熱設計的重要性

1.4熱設計流程

第2章傳熱學基礎

2.1熱與能量

2.2能量傳遞與傳熱

2.3基本定律

2.3.1熱力學定律

2.3.2質量固定的傳熱

2.3.3體積固定的傳熱

2.4傳熱機理

2.4.1熱傳導

2.4.2熱對流

2.4.3熱輻射

2.5熱阻網絡熱設計

2.5.1熱阻的概念

2.5.2擴散熱阻

2.5.3接觸熱阻及熱界面材料

2.5.4熱阻網絡

2.5.5常用散熱器

2.6計算機模擬熱設計簡介

2.7幾種先進的冷卻技術

2.7.1相變散熱與熱管

2.7.2液體冷卻與器件

2.7.3熱電冷卻與器件

2.7.4電流體流動散熱

第3章LED芯片與熱性能

3.1LED基本原理

3.1.1雙異質結結構LED原理

3.1.2量子阱結構LED原理

3.2芯片

3.2.1LED襯底材料與芯片結構

3.2.2功率型LED芯片

3.3LED芯片熱特性

3.3.1結溫與熱阻

3.3.2光通量與溫度的關繫

3.3.3輻射波長、色溫與溫度的關繫

3.3.4正向電壓與溫度的關繫

3.3.5壽命與溫度的關繫

第4章LED封裝與熱設計

4.1封裝的層級

4.2LED的封裝

4.2.1LED封裝的作用

4.2.2設計的基本要素

4.2.3封裝的基本材料及原理

4.2.4LED封裝基本工藝流程

4.2.5封裝的基本設備

4.2.6封裝的基本結構

4.2.7減小封裝熱阻的基本方法

4.2.8LED芯片焊接及新型粘接技術

4.2.9芯片焊接質量的評估

4.2.10芯片固晶的可靠性

4.3功率型LED封裝

4.3.1Luxeon繫列LED的封裝結構

4.3.2Golden Dragon繫列LED的封裝結構

4.3.3XLAMP繫列LED的封裝結構

4.3.4多芯片LED光源模組封裝

4.4LED芯片級封裝

4.4.1芯片級封裝LED器件

4.4.2集成封裝倒裝LED光源模組

4.4.3高壓倒裝LED光源模組

4.5封裝中的熱設計

4.5.1熱設計的分級

4.5.2LED器件的典型散熱通道

4.5.3封裝中的熱設計方法

第5章LED光源組件與燈具熱設計

5.1LED照明組件與燈具的定義

5.1.1LED照明模組

5.1.2LED照明光源

5.1.3LED燈具

5.2典型LED燈具

5.2.1LED射燈

5.2.2LED球泡燈

5.2.3LED燈管

5.2.4LED筒燈

5.2.5LED路燈

5.3LED燈具熱設計基礎

5.3.1LED燈具設計簡述

5.3.2熱設計目標和原則

5.3.3熱設計流程

5.3.4典型散熱器材料與結構

5.3.5熱沉熱阻分析

5.4LED燈具熱設計實例

5.4.1使用翅片散熱器的大功率LED路燈光源組件

5.4.2燈絲型LED球泡燈

5.4.3地鐵用LED燈管

5.4.4LED投光燈

5.4.5球泡燈照明模組的輻射散熱

中篇LED熱特性測試方法及測試平臺

第6章LED器件的瞬態熱測試方法

6.1LED器件瞬態熱測試的步驟

6.1.1LED器件溫度敏感參數的測量和校準

6.1.2LED器件的瞬態熱測試

6.1.3結構函數的理論基礎

6.1.4LED器件的電、光、熱聯合測試平臺的實現

6.2結構函數的應用和案例分析

6.3對LED整燈進行瞬態熱測試的測試案例

第7章LED器件瞬態熱測試的實際操作

7.1瞬態熱測試需要的準備工作

7.1.1T3Ster繫統的安裝和接線

7.1.2被測LED器件的安裝與連線

7.2LED器件的瞬態熱測試

7.2.1LED器件溫度敏感參數的測量和校準

7.2.2LED器件的瞬態熱測試

7.2.3瞬態熱測試結果的分析

7.2.4使用瞬態雙界面法獲得被測LED器件的結殼熱阻

7.2.5RC Compact Model的生成

下篇LED熱設計仿真工具原理與應用

第8章LED熱仿真分析軟件介紹

8.1熱仿真分析軟件的背景及原理

8.2FloEFD特點和優勢

8.3FloEFD工程應用背景

8.4FloEFD軟件安裝

8.4.1FloEFD 15.0軟件程序安裝

8.4.2許可證管理器的安裝

8.4.3FloEFD 15.0單機版或網絡浮動版服務器許可證的安裝

8.4.4FloEFD 15.0網絡浮動版客戶端許可證獲取

8.5熱仿真軟件使用流程

8.6FloEFD軟件LED模塊

8.6.1介紹

8.6.2仿真功能

8.6.3簡化模型

8.6.4LED數據庫

8.7熱仿真軟件的價值

第9章LED組件熱特性仿真分析

9.1LED組件熱特性仿真分析介紹

9.2LED組件熱特性仿真

9.2.1建立模型

9.2.2求解域調整

9.2.3參數設置

9.2.4網格設置

9.2.5求解計算

9.2.6仿真結果分析

第10章LED燈具熱仿真分析

10.1LED燈具熱仿真分析幾何模型

10.2LED燈具熱仿真分析步驟

10.2.1建立模型

10.2.2求解域調整

10.2.3參數設置

10.2.4網格設置

10.2.5求解計算

10.2.6仿真結果分析

第11章LED射燈熱仿真分析

11.1LED射燈熱仿真分析介紹

11.2LED射燈熱仿真分析步驟

11.2.1建立模型

11.2.2求解域調整

11.2.3參數設置

11.2.4網格設置

11.2.5求解計算

11.2.6仿真結果分析

11.2.7優化設計

參考文獻

附錄A軟件術語中英文對照

附錄BT3Ster繫統介紹

B.1T3Ster繫統概述

B.2實時測量繫統

B.3T3Ster繫統的測試主機T3Ster Mainsys介紹

B.4T3Ster繫統的T3Ster Booster介紹

B.5LV版本T3Ster Booster介紹

B.6T3Ster繫統Thermostat干式恆溫槽介紹

B.7T3Ster繫統其餘主要配件介紹

B.8TeraLED光學測試設備以及與之配合使用的積分球

附錄C空氣在1atm(101.33kPa)下的物理性質

附錄D飽和水/水蒸氣的性質

前言

前言

前言

以LED為核心的半導體照明技術發展迅速，正以超乎人們想像的速度替代傳統的電光源。LED的核心是pn結，基於pn結的半導體器件具有很強的溫度敏感性，隨著工作溫度的升高，它們的性能變差、可靠性劣化、故障率升高、壽命縮短。目前，商品化LED的光電效率遠遠達不到50%，LED正常工作時自身將產生大量的熱量，如不將此熱量散去將對LED產生災難性的後果。本書結合LED封裝和燈具設計制作的實際情況，介紹了熱設計的基本原理與方法、熱特性的評估方法與手段，後介紹了一種流行的熱特性仿真軟件。目前，關於半導體照明的參考書籍非常多，但是相關的本科教材卻非常匱乏，因此本書的編寫致力於解決目前國內缺乏“光源與照明”相關專業基礎教材的問題。與現有相關書籍相比，本教材側重於基礎知識介紹，同時希望通過大量的實例分析觸發讀者創新的靈感。參與編寫的人員既有高校教師，也有來自企業的研發人員。希望從學習、研究、產業等不同角度進行問題的梳理，從而幫助讀者對LED封裝與照明燈具技術以及所涉及的熱問題有較為全面的了解，並掌握基本的分析方法和手段。本書層次分明，分為上中下三篇。由柴廣躍教授和向進高級經理提出了書稿的編寫大綱和目錄，並對全部書稿進行了審定。本書上篇為LED熱設計基礎，共5章，由柴廣躍教授編寫。第1章主要介紹LED封裝與照明技術發展過程、與熱相關的LED失效、熱設計的必要性及基本流程。第2章主要介紹傳熱學基礎知識，內容包括熱的概念、傳熱機理和基本的定理、熱阻概念、熱分析的基本方法，後介紹了幾種先進的散熱技術。第3章主要介紹LED基本原理與熱性能，內容包括LED基本結構及發光發熱的機理、LED芯片結構及熱特性。第4章主要介紹LED封裝與熱設計，內容包括LED封裝的基本概念、封裝的類別及基本方法，後介紹了LED封裝的熱設計方法。第5章主要介紹半導體照明光源組件與燈具的熱設計，內容包括光源組件與燈具的定義、幾種典型的光源與燈具、光源與燈具的熱設計方法，後介紹了幾種典型LED光源與燈具的熱設計實例。本書中篇為LED熱特性測試方法及測試平臺，共2章，由王剛高級工程師編寫。第6章主要介紹了LED器件熱特性的瞬態測試，包括LED熱特性測試的難點、LED熱阻與結溫的計算方法、瞬態測試原理與方法等內容。第7章主要介紹了瞬態法測試的實際操作過程，包括進行瞬態熱測試所需要的準備工作、實際操作等內容。本書下篇為LED熱設計仿真工具原理與應用，共4章，由李波高級工程師編寫。第8章主要介紹FloEFD流體仿真軟件的基本情況，內容包括FloEFD的基本原理、主要優點、工程應用、軟件的安裝、應用流程、FloEFD各個模塊的介紹。第9章以一種LED組件為例，詳細介紹了使用FloEFD流體仿真軟件模擬仿真LED器件與組件熱特性的完整過程。第10章以一種LED燈具為例，詳細介紹了使用FloEFD流體仿真軟件模擬仿真LED燈具熱特性的完整過程，並討論了如何通過調整對流和輻射參數來調整LED燈具中LED器件的結溫。第11章以一種帶有風扇的LED射燈為例，詳細介紹了使用FloEFD流體仿真軟件模擬仿真LED射燈熱特性的完整過程，並討論了如何通過調整風扇參數改善燈具散熱能力。附錄A由李波高級工程師完成，附錄B由王剛高級工程師完成。本書論述深入淺出，注重理論與實踐相結合。可作為高等院校相關專業的教材和參考書，也可作為半導體照明行業從業人員及相關工程技術人員的參考資料。在本書編輯過程中，深圳大學、相關企業、相關網站、行業的專家及學生李華平、章瑞華、李耀東、廖世東、蘇丹等給予了大力支持，為本書提供了大量有益的背景資料；傳熱學基礎部分參考並引用了夏班尼所著的《傳熱學》部分內容與例題；學生劉志慧、劉夢媛幫助作者整理了全部書稿，馬雁潮、陳曉媛、徐竟、廖剛也為書稿整理和插圖做了大量的工作。在此一並感謝。本書的出版得到了美國Mentor公司的大力支持，感謝Mentor公司的資助和技術支持。對於Mentor公司的產品和大學計劃有興趣的讀者，可以通過Email和向進聯繫： jin_xiang@mentor.com。還要感謝清華大學出版社的工作人員為本書出版所做的大量工作，特別是盛東亮責任編輯以嚴謹的作風、認真細致的工作態度、良好的合作精神圓滿完成編輯工作，使本書得以高質量出版。由於作者水平有限，本書難免有不妥和錯誤之處，懇請讀者批評指正。作者2018年6月

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第5章LED光源組件與燈具熱設計

5.1LED照明組件與燈具的定義半導體照明產品及產業正處於蓬勃發展的時期，相關的技術標準也在同步建立健全的過程中，廣東省LED照明標準光組件項目工作組根據LED照明產品特點、產業鏈分工和應用習慣，提出將LED照明組件分為6個層級。（1）層級0(level0)：外延及芯片；（2）層級1(level1)：封裝組件；（3）層級2(level2)：照明模組；（4）層級3(level3)：照明光源；（5）層級4(level4)：一體化燈具；（6）層級5(level5)：照明繫統。封裝組件：采用LED封裝工藝將發光芯片、光學部件、電極引線、組件承載體結合為一體的獨立的基本，如2835等LED器件即為典型的封裝組件。照明模組：包括但不限於若干封裝組件和線路基板組成的LED照明產品的中間件，可以附帶層級間的接口連接器或部分驅動控制零件，如集成封裝的LED光源模組即為典型的照明模組。照明光源：具有相對完整的光機電熱結構部件與層級間的接口連接器的LED照明產品中間件，是LED照明終端產品的核心。國外把照明光源叫做光引擎(lighting engine)。一體化燈具：指功能完善、結構完整、可整體互換的獨立照明的整體式光源或燈具。 5.1.1LED照明模組按照上述定義可知LED照明模組是將LED器件及附屬的光學部件安裝在電路基板上的照明半成品，包括兩部分： LED芯片或器件及光學附件、電路板，並提供電接口、熱接口和光接口。其電接口為與LED連接方式匹配的直流電壓接口，通過該電接口與外接驅動電源連接。以LED路燈照明模組為例，見圖51 。圖中LED器件焊接在鋁基電路板上完成電氣連接，並焊接引線作為電氣接口；鋁基板背面作為熱接口，通過導熱脂與散熱器緊密連接散熱； LED的輸出光通過集成透鏡整形輸出。

圖51LED路燈模組及配套的透鏡組
第5章LED光源組件與燈具熱設計

5.1LED照明組件與燈具的定義半導體照明產品及產業正處於蓬勃發展的時期，相關的技術標準也在同步建立健全的過程中，廣東省LED照明標準光組件項目工作組根據LED照明產品特點、產業鏈分工和應用習慣，提出將LED照明組件分為6個層級。（1）層級0(level0)：外延及芯片；（2）層級1(level1)：封裝組件；（3）層級2(level2)：照明模組；（4）層級3(level3)：照明光源；（5）層級4(level4)：一體化燈具；（6）層級5(level5)：照明繫統。封裝組件：采用LED封裝工藝將發光芯片、光學部件、電極引線、組件承載體結合為一體的獨立的基本，如2835等LED器件即為典型的封裝組件。照明模組：包括但不限於若干封裝組件和線路基板組成的LED照明產品的中間件，可以附帶層級間的接口連接器或部分驅動控制零件，如集成封裝的LED光源模組即為典型的照明模組。照明光源：具有相對完整的光機電熱結構部件與層級間的接口連接器的LED照明產品中間件，是LED照明終端產品的核心。國外把照明光源叫做光引擎(lighting engine)。一體化燈具：指功能完善、結構完整、可整體互換的獨立照明的整體式光源或燈具。 5.1.1LED照明模組按照上述定義可知LED照明模組是將LED器件及附屬的光學部件安裝在電路基板上的照明半成品，包括兩部分： LED芯片或器件及光學附件、電路板，並提供電接口、熱接口和光接口。其電接口為與LED連接方式匹配的直流電壓接口，通過該電接口與外接驅動電源連接。以LED路燈照明模組為例，見圖51 。圖中LED器件焊接在鋁基電路板上完成電氣連接，並焊接引線作為電氣接口；鋁基板背面作為熱接口，通過導熱脂與散熱器緊密連接散熱； LED的輸出光通過集成透鏡整形輸出。

圖51LED路燈模組及配套的透鏡組

5.1.2LED照明光源按照上述定義可知LED照明光源是以LED器件為基本發光體，具備規定的光、色、電、熱特性，以及規定的外形尺寸、機械匹配形式、應用接口端和使用規範等特征，用於照明產品及照明繫統的。LED照明組件需包括三部分： LED芯片或器件、驅動電源及附件(IC、EMC器件、電阻、電容、電解、整流二極管)、電路板，並提供電接口、熱接口和光接口。以典型的LED球泡燈為例，圖52為7W球泡燈LED照明光源照片，圖中IC為具有溫度保護功能的高壓四段線性驅動集成電路，220V AC電源輸入通過電源線與整流器連接，整流後的電壓連接至驅動IC的電源端。該組件的熱接口為鋁基電路板背面(除去接插式電連接器和電源線所占位置外)，該面與球泡燈外殼的散熱器平面通過導熱脂緊密連接，將LED器件、驅動IC和整流橋等產生的熱量傳導至散熱器，終將熱量散至空氣。

圖527W球泡燈LED照明光源

5.1.3LED燈具半導體照明燈具有保護、固定、連接電源、提供配光、點綴空間、美化環境等功能特點，除光源外它還包括所有用於固定和保護光源所需的全部零部件，以及與電源連接所需要的線路配件，主要包括散熱器、驅動電源及控制器、PCB燈板、LED光源、光學繫統、界面材料等部分。1. 散熱器一般將LED燈具的散熱器與燈殼一體化設計，所以，除將來自PCB燈板的熱量散發到外界環境外，散熱器還要兼顧支撐PCB燈板和驅動電源的作用。小功率LED燈具散熱器多采用普通PPA、塑包鋁(鋁襯支架外包覆PPA等塑料材料)、高導熱塑料、陶瓷等材料；用於大功率LED燈具散熱器的材料多為鑄鋁、擠壓鋁，外部通常進行陽極氧化處理。散熱器包括主動式散熱器和被動式散熱器兩大類。主動式散熱器是指含有如電風扇、微通道等可以產生強制對流效應的散熱器，主要特征為需要外部的能量(多為電力)提高熱對流繫數，從而提高散熱效率。如計算機主板CPU的風扇翅片散熱器，通過電扇產生強制的對流空氣，高效帶走翅片散熱器的熱量，保證CPU工作溫度低於80℃。微通道換熱器是指通過微型水泵使純淨水等液態物體快速通過微通道換熱器的微小通道(通道尺寸1mm以下)，
高效快速地帶走熱沉上熱源的熱量，體積換熱繫數達到50MW/（m3?瘙簚K）以上。雖然主動式散熱器對流繫數大、散熱性能好，但其結構復雜、消耗外部能量、可靠性及壽命較短、成本高。主動式散熱器還包括半導體制冷器，是利用半導體的珀耳帖效應散熱的器件，單級熱電堆可得到大約60℃的溫差，冷端溫度可達-10~-20℃。增加熱電堆級數即可使兩端的溫差加大。

圖53擠壓鋁筒燈散熱器

半導體制冷器具有無噪聲、無振動、不需制冷劑、體積小、重量輕、安全可靠、制冷量可調節等特點，但它的制冷繫數較小，電耗量相對較大，主要用於半導體激光器芯片等小尺寸、高附加值產品的散熱。因此，在半導體照明燈具中應盡量避免使用主動式散熱器。被動式散熱器內部不含有任何有源器件，可以通過選擇合適的材料、合理的結構設計提高對流繫數，具有結構簡單、成本低廉、安全可靠等優點，在半導體照明燈具中得到了廣泛的使用，如圖53所示的LED燈具散熱器借助“煙筒效應”有效提高了自然對流繫數。
2. 驅動電源及控制器常用的驅動電源包括隔離式和非隔離式兩大類。1）隔離式驅動電源隔離式驅動電源通過高頻變壓器來實現LED負載與電網的電氣隔離，雖然電路復雜、成本較高、EMI較大，但安全性好、輸入電壓範圍寬、可調光調色，是一種常用的LED驅動電源。圖54為隔離式LED恆流驅動電源的基本結構。

圖54隔離式LED恆流驅動電源的基本結構

基本原理是采用功率MOS場效應管作為開關器件，周期性地間斷式工作，通過調整占空比即可調整輸出電壓。由於隔離式驅動電源有變壓器、電解電容等直插器件，體積比較大，遮光嚴重，隻能制成單獨的電源通過電氣連線與LED光源板連接。圖55為一種隔離式LED驅動電源。

圖55一種隔離式LED驅動電源

2）高壓線性驅動電源線性電源將輸出電壓的取樣與參考電壓進行比較，比較器的輸出信號反饋控制輸出晶體管的基極，保持輸出穩定的電壓，原理如圖56所示。近年開發出的LED高壓線性驅動電源不需要變壓器，220V AC輸入整流器後直接與LED器件、高壓線性驅動IC連接。具有電路簡單、無電解電容、效率高、功率因數(PF)高、EMI小、成本低等優勢，特別是可以和LED光源板一體化制成光電組件，大大簡化了LED燈具的制作工藝，降低了成本，是一種應用前景非常好的電源技術。但是，現有方案的輸入電壓範圍較小、有頻閃。圖57為一種單段高壓線性驅動電源的原理圖，核心為集成電源IC CYT1000C，該電路可以提供12W的輸出功率，輸出電流60mA，工作電壓高達約250V。圖58所示是一種使用高壓線性驅動電源的50W工礦燈光電模組照片，圖中央位置為整流橋堆，220V AC直接輸入整流器，周邊的5個集成電路為單段高壓線性驅動IC，所有的光源為36V高壓LED器件。

圖56線性驅動電源原理圖

圖57一種單段高壓線性驅動電源的原理圖

控制器的機理是利用傳感器(如光感、紅外、超聲、聲感等)感應的信號自動控制LED燈具的亮暗、開關等動作，也可通過藍牙、WiFi等通信協議和單片機人為控制燈具或燈具組的亮暗、開關、色溫、顏色等動作。一般將控制器模塊安裝在驅動電源板上。3. PCB燈板LED燈具中PCB燈板具有固定光源、實現電氣連接、熱傳導等作用。小體積、高功率密度的半導體照明燈具常用的PCB燈板為鋁基板，如球泡燈、射燈、筒燈、路燈等，如圖59所示。在LED分布較散、低功率密度的半導體照明燈具中也使用普通的FR4型PCB燈板等。

圖58使用高壓線性驅動電源的50W工礦燈光電模組

圖59一種球泡燈PCB燈板(鋁基板)

4. LED光源燈具中LED光源的作用是發出滿足應用需求的可見光，與電源一起決定了LED燈具的光效。均采用貼片式LED器件，高壓驅動方案多采用小功率LED，低壓驅動方案多采用大功率LED，也可采用COB集成封裝LED等。5. 光學繫統光學繫統的作用為通過光學設計實現半導體照明燈具不同的出光效果，從而滿足不同照明領域的需求，設計中利用了光的反射、折射、透射及漫反射等性質。光學繫統主要包括透鏡、反射器、混光器器件。透鏡利用了光線的折射原理，主要用於小角度照明產品，其結構較為復雜、效率較低；反射器利用了光線的反射原理，主要用於大角度照明產品，其結構較簡單、效率高、配光以軸對稱性為主，但是配光的控制較難；混光器利用了光線的漫反射、漫透射原理，主要用於減少燈具的眩光、多色混光，可以獲得柔和、均勻的出光面。常用的光學繫統如圖510所示。

圖510常用的LED燈具光學器件

6. 導熱界面材料由前述可知，LED燈具由光源、燈殼等多個部分連接而成，LED器件焊接在PCB板上，PCB板壓接或插接在散熱器上，散熱器再壓接在燈殼上。由於各個器件、組件表面的粗糙不平，在其結合部將存在許多空隙，而空氣的熱導率很低，將會大幅增大界面的熱阻，嚴重影響燈具的散熱效率。導熱界面材料是指用於填充空氣縫隙的具有較高熱導率的膠狀體、彈性體，主要包括導熱膏類、導熱彈性墊片材料類、相變材料類等。導熱膏是在有機硅氧烷中添加陶瓷等粉粒復合成為膏狀物，具有良好的導熱、絕緣、減震的性能，同時無毒無味、耐腐蝕，可在-50℃~ 250℃內正常工作，熱導率可達0.3~8W/（m?瘙簚K）。使用時直接將其塗覆在相關材料表面後將另一面材料壓緊固定即可。導熱彈性墊片材料是指在硅橡膠中摻入陶瓷粉粒等高導熱材料並壓制成膜，使用時將該膜置於兩個導熱體中間並壓緊固定。表51為國外標準導熱硅橡膠薄膜主要供應商及產品型號、性能。相變材料是一種儲能材料，它會在相變過程中吸收或放出相變潛熱，一般的相變溫度為40~80℃，當界面溫度達到相變溫度時，相變材料發生相變，表現為材料變軟、體積膨脹15%~20%；在壓緊的條件下，相變材料會充分覆蓋、填充界面間的縫隙，同時有效地排出空氣，降低熱阻。一般將相變材料加工成膜後使用。表52為國外相變材料主要產品型號、性能。

表51國外標準導熱硅橡膠薄膜主要供應商及典型產品型號、性能

公司牌號導熱率/W/（m?瘙簚K）填料硬度
ShoreA厚度
/mm熱阻/(K/W)工作溫度/℃
KunzeKuCG201.9陶瓷900.20.22-60~200StokwellTC30011.6陶瓷50
1.2
HalaTGFMo500S12.5陶瓷500.150.38-60~180高柏H4822.2陶瓷100.1~2
-40~200ThermagonTgard2105.0BN800.25
-60~200ChomericsHCS5701.5
250.5~5.01.4-55~200DowcomingTP15021.1
47

表52國外相變材料薄膜主要產品型號、性能

型號

導熱率/W/（m?瘙簚K）相變溫度/℃工作溫度/℃相變材料載體相變體積變化/%
KUCR0.4760-60~150CRAYTHERH
15~20KUCRF3.051-60~150CRAYTHERH/石墨
15~20KUPCO5.148-60~200硅膠

KUCRFI3.051-60~150CRAYTHERH
15~20KUPX3.045-60~150CRAYTHERH
15~20KUALC22060-60~150CRAYTHERH(雙面塗)鋁
KUALF22051-60~150CRAYTHERH(雙面塗) /石墨鋁
5.2典型LED燈具按照上述定義，LED燈具是將照明模組與驅動電源或是照明光源與燈具外殼、燈罩、電氣連接器組合為一體的具有完善的光、電、色、熱、機械性能，整體可以互換的獨立照明光源。按照應用可分為室內LED照明燈具和室外LED照明燈具，按照電源安裝位置可以分為內置一體式LED照明燈具和外掛電源LED照明燈具。下面介紹幾種典型的LED燈具。5.2.1LED射燈射燈主要是用於裝飾、商業空間照明以及建築裝飾照明等領域，隨著LED技術的發展，以LED為發光體的射燈(LED射燈)呈現優異的性能，具有光效高、光束可精確控制調整、色溫及顏色可調可控等優點。按照應用可分為下照式和路軌式，按照電氣接口可分為插腳式(MR11、MR16、MR25為主)、螺口式(以E26、E27為主)等類型。下面以常用的MR16為例討論射燈的設計。MR(mutiface reflect)意為多面反射式燈杯射燈，其後的數字表示燈杯口徑(單位： 1/8英寸)，MR16為燈杯口徑2英寸(16×1/8英寸=2英寸≈50mm)，其外觀結構及照片見圖511。主要指標如下：（1) 電功率： 1~5W；（2) 輸入電壓： 12V AC；（3) 光束角： 25°、35°、45°。

圖511MR16射燈

主要技術要求如下：（1) LED盡量擴展為面光源，減少眩光；（2) 光效100lm/W以上，色溫可選、顯色指數80以上；（3) 無頻閃、高可靠。由上述要求可知，MR16射燈是一種體積非常緊湊的內置電源的LED燈具。可選降壓模式、內置過溫保護功能、可PWM調光、低封裝熱阻的驅動IC作為驅動電源，如PT4115，采用SOT895封裝結構，其熱阻為45K/W，電路見圖512。

圖512一種適合於MR16射燈的驅動電源

該電源置於MR16燈杯的尾部，照明模組可為集成式或單燈式，通過引線或連接器與電源線路連接，如圖513所示。

圖513MR16射燈照明模組

5.2.2LED球泡燈LED球泡燈廣泛應用於城市亮化工程，字牌廣告、城市步行街、酒店賓館表面裝飾輪廓、門面燈光效果裝飾、迪廳、酒吧燈光藝術照明，特別適合室內豪華型高標準大空間效果裝飾，如珠寶照明、舞臺照明、展覽展示藝術廳環境照明、櫥櫃照明、廣告裝飾照明、居家別墅裝飾照明等，營造氣氛效果，是目前取代傳統鹵素燈的理想選擇，是21世紀綠色照明產品。按照電氣接口可分為螺口式(E26、E27、E14等)和插口式(B22等)，如圖514所示。E表示(Edison，愛迪生)螺口燈頭，其後的數字指螺口螺紋牙頂的直徑，單位為mm，歐洲和中國的規格標準為E27，美洲的規格標準為E26，E14常用於小口徑的蠟燭燈。B表示插口燈頭，其後的數字指插口燈頭的直徑。圖515所示為裝入燈殼內的一種球泡燈組件和燈泡。

圖514常用球泡燈燈頭結構示意圖

圖515裝入燈殼內的一種球泡燈光電組件和燈泡

基於LED單向性的發光原理，設計人員在燈具結構上做了更改，使得LED球泡燈的配光曲線基本與白熾燈的點光源性趨同，以7W球泡燈為例，主要技術指標如下： (1) 輸入電壓範圍： 90V AC~240V AC(50~60Hz)；(2) 功率： 7W；(3) 燈頭： E27；(4) 光通量： 600lm；(5) 標稱色溫： 2700K；(6) 顯色指數： >80；(7) 發光角： >170°。出口產品的指標應該滿足所在地的技術標準，如出口北美的球泡燈，其色溫應該滿足當地標準色溫要求，根據ANS IC78.377—2008標準要求，色溫需在如下八種中選一，並且必須達到表中所示精度，見表53 ANS IC78.377—2008標準的色溫要求。

表53ANS IC78.377—2008標準的色溫要求

標稱色溫目標色溫K目標Duv2700K2725±1450.000±0.0063000K3045± 1750.000±0.0063500K3465± 2450.000±0.0064000K3985± 2750.001±0.0064500K4503±2430.001±0.0065000K5028±2830.002±0.0065700K5665±3550.002±0.0066500K6530±5100.003±0.006可通融的CCT (2700~6500K)T1±ΔT2DUV3±0.006備注：
1. T被選擇為除了上表中前8個標稱CCT值外，還可為以100K為步長的值(2800K,2900K，…，6400K)； 2. ΔT由ΔT=0.0000108×T2 0.0262×T 8給定； 3. Duv由Duv=57700×(I/T)2-44.6×(I/T) 0.0085給定。

5.2.3LED燈管傳統的燈管也叫熒光燈、日光燈，長玻璃圓管構成燈的主體，兩端各有一對電極，燈內充有低壓汞蒸氣和少量惰性氣體，玻璃管內壁塗覆紫外激發熒光粉，在工業、商業、家庭等應用廣泛。日光燈尺寸和功率已經標準化(IEC81—1984)，按照直徑可分為T5、T6、T8、T12，如常用的T8表示該類熒光燈燈管直徑為8×1/8英寸(1/8英寸=3.175mm)。LED燈管延續了IEC81—1984的尺寸標準，但是內部結構完全不同於傳統燈管。圖516給出了幾種常用的LED燈管結構，(a)為具有散熱支架透明外殼型，(b)為（a）的散熱支架結構示意圖，(c)為平板型散熱支架彌散外殼型，（d）為平板型散熱支架透明外殼型。

圖516幾種常用的LED燈管結構照片

驅動電源可以采用與光源板分離的形式，如圖517所示。現在的發展趨勢為采用高壓線性驅動電源的光電一體式的光源板，如圖518所示。

圖517一種用於LED燈管的開關電源板

圖518高壓線性驅動電源的光電一體式的光源板

5.2.4LED筒燈LED筒燈是一種嵌入到天花板內、光線下射式的照明燈具，屬於定向式照明燈具，即僅在其對面受光；光線較集中，具有明暗對比強烈的照明效果，可以突出被照物體，輸出光通量較高，可襯托出安靜的環境氣氛。按尺寸大小劃分，常用筒燈有大中小尺寸三類。小尺寸包括2.5寸(開孔80)、3寸(開孔90)；中尺寸為4寸(開孔120)，大尺寸包括5寸(開孔150)、6寸(開孔160)，厚度均小於傳統筒燈的尺寸，不做限制。按所用LED分類，可分為大功率LED光源和集成LED光源二種。常用的大功率LED器件多為1W、2W、3W封裝，集成器件采用COB封裝，芯片可以為正裝，也可以采用倒裝。一般整燈功率為3~12W。圖519為一種LED筒燈的結構散件。

圖519一種LED筒燈的結構散件

5.2.5LED路燈與室內照明燈具不同，LED路燈的工作環境惡劣，其性能好壞直接影響著夜間行車的安全。因此，在LED路燈的設計中，光學上要滿足國家標準《CJJ45—2006城市道路照明設計標準》，安全上還有滿足《GB7000.1—2001燈具一般安全要求與試驗》、《GB7000.5—2005道路與街路照明燈具的安全要求》、《IEC62031普通照明用LED模組的安全要求》等標準，對防護等級(ingress protection，IP)也有明確要求，IP防護等級是由兩個數字組成，第1個數字表示電器防塵、防止外物侵入的等級，第2個數字表示電器防濕氣、防水侵入的密閉程度，數字越大表示其防護等級越高。為了確保LED路燈的節能減耗，關於能效標準的研究工作正在快速進行，如深圳市於2012年在國內率先推出《LED道路照明產品技術規範和能效指南》，為今後能效標準的制定打下了良好的基礎。為了增加無故障工作時間、確保長壽命，LED路燈的熱管理非常重要。為了加強散熱，燈殼與散熱器鑄為一體，材料為鋁合金，一盞120W的路燈散熱器的重量往往高達十幾千克以上，組裝完成後的重量更高，這對在諸如臺風等惡劣天氣下的安全使用十分不利。圖520所示為一種LED路燈的套件，驅動電源裝在燈殼電源盒內，二次配光透鏡裝在LED光源板的每隻LED器件上，LED光源板安裝在散熱器底部，路燈燈殼與散熱器和電源盒集成為一體。隨著LED光效的不斷提高及驅動電源技術的進步，路燈散熱器的設計和制作水平越來越高，圖521所示為一款采用高壓線性驅動電源的分布式LED路燈，該路燈采用了4個30W的光電一體化光源組件，圖中央為采用倒裝LED芯片的COB集成光源，光源四周為驅動電源，右側為交流輸入及整流橋。此種結構不必再在散熱器管殼上預留電源盒空間，利用了對流的“煙道效應”，減小了散熱器體積和重量，整燈重量僅為5千克左右，室溫下LED的結溫可以不高於80℃。

圖520一種LED路燈的套件

圖521分布式LED路燈為光電一體化光源組件

5.3LED燈具熱設計基礎LED燈具熱設計是LED燈具光學設計、電路設計、結構設計、可靠性設計和安全設計中的一部分，一般歸納到可靠性設計中。5.3.1LED燈具設計簡述1. 光學設計
與傳統電光源相比，LED芯片的尺寸小、配光比較容易。但是，單個LED芯片的輸出光功率遠遠達不到照明光源的要求，必須將多個LED芯片輸出的光通量在特定方向上累加以滿足照明的要求。所以LED燈具光學設計不僅僅是考慮輸出光通量和光型滿足使用要求，還必須考慮如何保證多個光源芯片制出的LED燈具的光色空間均勻一致。光學設計基本過程如下。1）確定使用需求包括LED燈具使用的場所、待照明物體的狀況、所需的亮度、光色要求、成本要求等因素。照度和光色要求應根據國際和國家相關標準，如《GB50034—2013建築照明設計標準》、《GB/T50033—2013建築采光設計標準》、《CJJ45—2006城市道路照明設計標準》等。GB50034—2013是在對我國現有建築照明情況實測考察的基礎上，參照對比國際照明委員會(CIE)和部分先進發達國家的相關標準，對原有標準進行了大幅修正，對包括居住建築、公共建築、工業建築、公共場所等13個常用場所規定了照明設計標準和能耗標準，成為我國照明設計的基本依據與大綱。表54~表56分別列舉了居住建築照明、圖書館建築照明和辦公室照明的標準。

表54居住建築照明標準

房間或場所參考平面及其高度照度標準值(lx)Ra
起居室一般活動0.75m水平面10080書寫、閱讀0.75m水平面30080臥室一般活動0.75m水平面7580床頭、閱讀0.75m水平面15080
餐廳0.75m水平面15080
廚房一般活動0.75m水平面10080操作臺臺面15080
衛生間0.75m水平面10080

表55圖書館建築照明標準

房間或場所參考平面及高度照度標準值(lx)UGRRa
一般閱讀室0.75m水平面3001980國家、省市級及其他重要圖書館的閱讀室0.75m水平面5001980老年閱讀室0.75m水平面5001980珍善本、輿圖閱讀室0.75m水平面5001980陳列室、目錄廳(室)、出納廳0.75m水平面3001980書庫0.75m水平面50—80工作間0.75m水平面3001980

表56辦公室建築照明標準

房間及場所參考平面及高度照度標準值(lx)UGRRa普通辦公室0.75m水平面3001980高檔辦公室0.75m水平面5001980會議室0.75m水平面3001980接待室、前臺0.75m水平面300—80
續表

房間及場所參考平面及高度照度標準值(lx)UGRRa營業廳0.75m水平面3002280設計室實際工作面5001980文件整理、復印、發行室0.75m水平面300—80資料、檔案室0.75m水平面200—80
2）確定LED芯片確定了應用的亮度要求後，即可進行LED芯片或器件的選擇，依據為生產廠家提供的LED器件參數表的相關數據，如光強、色溫、顯色指數、光束角等。需要特別注意的是要對上述參數的誤差(bin code)提出明確的要求；當然，參數格子劃分的越細LED器件的成本越高。所以，應注意要求的合理性。參數格子內的參數誤差必須依靠光學設計解決，如采用適當的混光距離、光擴散板等方法勻化處理。3）光學設計所謂LED燈具光學設計就是根據LED光源的特性設計特定的透鏡、反射器、混光器件，改變LED光源光線的輸出，終達到國家相關標準和用戶需求的照明要求的過程。包括LED封裝中的光學設計(一次光學設計)和燈具的光學設計(二次光學設計)。其中，利用折射原理的透鏡多用於小角度照明產品，可以設計出不同的配光產品，但其結構復雜、效率較低、成本較高。利用反射原理的光學反射器多用於大角度照明產品，效率高、成本低，但其配光僅能與光軸對稱、光型控制較困難。混光器利用了光的漫反射、漫折射原理，可以使得LED燈具出光面均勻、減少眩光、改善光色均勻性和多色混光，對於目前流行的藍光LED 黃色熒光粉白光光源的黃色色圈、RGBLED白光光源的色斑、LED電極鍵合金絲遮擋暗斑等LED燈具的光色缺陷具有很好的改良作用，但也同時降低了燈具光學效率(簡稱燈具效率)。燈具效率是指從燈具輸出的總光通量與燈具未加任何光學繫統時LED輸出的總光通量之比。任件都具有一定的光學損耗，在達到光型要求的前提下盡量減件的數量對提高燈具效率是有利的。2. 電路設計與傳統的電光源不同，LED為工作電壓和工作電流均很小的單向導電型光源，與市電(220V AC)不匹配，必須配備專用的驅動電源。由於LED的微分串聯電阻很小，而且隨著溫度的升高LED的工作電壓降低，如果使用普通的恆壓源驅動則極易造成LED的過流驅動直至永久性的損壞。因此，LED的驅動電源必須是恆流源。目前，常用的LED照明驅動電源包括開關電源、高壓線性電源，此外，小功率的LED燈具也有使用電容降壓直接驅動電源的方式。驅動電源種類選擇的依據是燈具的主要性能、LED器件的種類、電路拓撲結構、數量和成本。例如，終的燈具為智能調光型，所使用的LED為大功率型，使用較少的數量就可滿足輸出光通量的要求，此時一般選用開關型驅動電路更為方便；若數量眾多的小功率LED串聯使用，則使用高壓線性驅動電路更為簡單、經濟，但特別需要注意的是燈具外殼需要采用電絕緣材料纔能滿足安全性要求。驅動電路設計的主要指標包括如下兩項。1）電源效率電源效率是指電源輸出功率(用於驅動LED的電功率)與輸入功率之比，一般的驅動電源的電源效率應高於90%。由於LED燈具的總發光效率為LED器件發光效率(光效)、燈具效率和電源效率之積，所以提高電源效率與LED芯片、封裝工藝中提高光效的意義一樣重要。2）功率因數功率因數(power factor，PF)是指交流電壓與電流間相位差的餘弦，數值上等於有功功率和視在功率之比。視在功率表示輸入電壓與輸入電流的乘積，它等於有功功率與無功功率之和。例題51
一10W的LED球泡燈采用開關電源驅動，電源的輸出電壓為30V、電流350mA，使用電表測得此時的輸入電壓為220V AC、電流為55mA、有功功率為11.5W(電費按此值收)。求該電源的功率因數和電源效率。解視在功率為： 220×0.055W=12.1W功率因數為： 11.5/12.1=0.95電源輸出功率為： 30×0.35W=10.5W電源效率為： 10.5/11.5=0.913，即91.3%功率因數是電力繫統的一個重要的技術數據，它是衡量電氣設備效率高低的一個參數。PF值小表明繫統用於交變磁場轉換的無功功率大，造成設備損耗大、線路供電損失大、電網不穩定、諧波污染等問題。目前，行業規定5W以上LED燈具的PF應達到70%以上，5W以下尚未做明確要求，但是，國家電力有關部門正在制定相關的國家標準。3）電磁兼容(EMC)性能LED電源工作過程中產生的諧波污染將產生電磁干擾(EMI)，過強的EMI將會影響線路以及其他繫統的正常工作，因此必須對EMI進行抑制和控制。LED光源模組和燈具產品也必須進行相關的EMC性能測試。EMC性能測試依據為相關的國家標準和國際標準，如CISPR15/EN55015/GB17743、CISPR22、IEC61547—1995及《GB/T18595—2001一般照明設備電磁兼容技術要求》，對不同功率的照明燈具分類管理，明確規定了30MHz以下(傳導)和30~300MHz(輻射)各個頻段的諧波功率的要求。4）電源壽命LED的優點之一是壽命長，為使LED燈具同樣長壽命，驅動電源的壽命也必須長久。一般電源的壽命由電解電容器、光電耦器件的壽命決定。正弦交變電流將引起電解電容器中電解液的溫升，而工作溫度每升高10℃，電解電容器的壽命下降一半倍。因此，在熱設計中必須關注驅動電源，特別是電解電容的散熱。使用高壓線型驅動電源可以去除電解電容器，有利於電源壽命的提高，但是，目前尚未完全解決由此產生的頻閃現像。3. 可靠性設計可靠性是指產品在規定的時間內及給定的條件下完成規定功能的能力，分為固有可靠性、使用可靠性和環境適應性。衡量可靠性的指標一般包括可靠度、無故障率、失效率等。可靠性設計是可靠性工程的重要組成部分，是實現產品固有可靠性要求的關鍵的環節，是在可靠性分析的基礎上通過制定和貫徹可靠性設計準則來實現的。在產品研制過程中，常用的可靠性設計原則和方法器件選擇和控制、熱設計、簡化設計、降額設計、冗餘和容錯設計、環境防護設計、人為因素設計等器件選擇和控制、熱設計主要用於電子產品的可靠性設計外，其餘的設計原則及方法均適用於電子產品和機械產品的可靠性設計。傳統電光源（如白熾燈）壽命終了的主要原因是鎢絲蒸發、細化直至斷裂，而LED壽命終了的主要原因則為隨著工作時間的延長發光材料逐漸老化產生的光衰。以常用的藍光LED 黃色熒光粉構成的白光光源為例，老化可能發生在LED芯片、熒光粉、封裝的膠體等，其中以封裝中的透明膠體受光和熱的作用產生的老化為光衰的主要原因。為使壽命期的光衰保持在期望值以下，就必須將輸出光通量和工作溫度控制在所用光學膠體材料的允許範圍內。由於LED燈具所需的光通量為事先確定的參數，因此，LED燈具的可靠性設計基本上就是控制LED結溫的散熱設計。除了上述的結溫控制設計外，為了確保LED燈具的壽命，還必須防止突發性的LED“死燈”問題，產生該問題的主要原因有靜電放電(ESD)和電氣過載(EOS)。前者主要由於外部靜電的影響，後者則是由於驅動電源中的浪湧、短路造成的電氣負荷超出芯片的承載能力導致的LED芯片的永久性失效，該部分的預防設計放在驅動電源設計中。熱設計將在本書中其他章節詳細介紹，本節主要介紹靜電防護方面的內容。任何兩種不同材質的物體接觸後都會發生電荷的轉移和積累，形成靜電。人身上的靜電主要是由衣物之間或衣物與身體之間的摩擦造成的。穿著不同材質的衣物時“帶電”多少是不同的，比如化學纖維衣物容易產生靜電，而棉制衣物產生的靜電較少。此外，干燥的環境更有利於電荷的轉移和積累，比如鼕季人體靜電可達幾千伏甚至幾萬伏。

圖522人體帶電模型

為了評價靜電的影響及尋找防治對策，相關機構建立了人體放電模型(human body model，HBM)，如圖522所示。遵循的標準有MILSTD833C METHOD 3015.7、EIA/JESD22A1149（JEDEC,1997)。HBM的ESD是指因走動或其他摩擦因素在人體上累積了靜電，其靜電電壓可達數千伏甚至3萬多伏，見表57。當此人去踫觸到IC、LED等器件時，人體上的靜電便會經由器件管腿進入器件內部，再經由芯片放電至大地，如圖522所示。該放電過程會在幾百毫微秒(ns)內產生數安培的瞬間放電電流，如一般商用級IC，2kV的放電電壓可產生的瞬間放電電流峰值約為1.33A。在自動組裝生產線中即使沒有操作人員的靜電影響，作業中的摩擦也會致使LED器件表面積累靜電，這種放電的電荷量雖少，但是放電時間更短(放電電阻為0)，瞬態的放電電流更大。這就是所謂的機器模式(machine model，MM)，這種模型對LED的損傷與否還在研究中，遵循的標準有EIAJIC121 METHOD20、EIA/JESD22A115A(JEDEC,1997)、ESD STM5.2(EOS/ESD,1999)。此外，帶靜電器件的能量也能從一個帶電器件迅速地釋放給其他器件或部位，這就是所謂的帶電器件模型(charged device model，CDM)。該模型假定當帶電器件的導電管腳與具有較低電位的導體表面接觸時會發生迅速放電，放電時間2.0ns以內,放電時電流卻能達到幾十安培的水平，遵循的標準為ESD DS5.3.1。對於手工作業為主的生產線的靜電防護主要使用HBM模型。

表57工藝線操作員人體靜電程度

相對濕度10%~20%時65%~90%時
地毯上行走35.0kV1.5kV塑料材質地面行走12.0kV0.25kV操作臺附近的操作者6.0kV0.1kV
一般認為靜電通過LED有源層產生的焦耳熱致使部分半導體材料熔化是靜電損傷的主要機理，靜電為正向電壓時即為此。若靜電為反向電壓，有源層中的線缺陷首先成為導電微細通路，高壓導致的電子雪崩將使線缺陷連通，使通路局部溫升並熔融該部分材料為導體。從LED的電流電壓曲線上看，該部分損傷就是將開啟電壓前的並聯電阻降低。當然，高的靜電電壓也會作用於芯片電極、鍵合引線等之間，破壞絕緣層造成器件的永久失效，此時，一般能在顯微鏡下觀察到明顯的燒著痕跡。為了表征半導體器件的耐靜電能力，EIAJ(日本電子工業協會)建議在HBM條件下將器件耐壓分為三級，級的耐壓範圍為0~1999V，第二級為2000~3999V，第三級為4000~15999V。LED的耐壓值在200~2000V，與所用襯底和器件結構有關。如使用藍寶石襯底的藍光LED的耐壓值要小於碳化硅襯底的器件，原因在於藍寶石是絕緣材料，易於積累靜電；其次它的平面電極間的間距僅為10μm左右，更容易被高壓擊穿。為使LED燈具具有優良的耐靜電能力，不僅在工藝過程中要注意靜電的防護，如工作環境的防靜電處理，包括地面、工作臺、座椅、工具、操作員等的接地處理，保證工作間的濕度不低於50%等。此外，必須增加必要的防靜電設計，如封裝中或使用LED時在芯片兩端並裝保護二極管、在LED及與LED直接或間接相連的導體上塗覆防靜電材料、LED驅動電路的輸入端增加過流保護器件等。4. 安全性設計安全性設計是指為保證產品在使用、儲運、銷售等過程中保障人體健康和人身、財產安全免受傷害或損失所采取的防護方法和措施。安全性設計的依據是國家的相關法規、規範及標準，如出口日本的產品應滿足日本標準協會制定的JISC81051及3、日本電燈協會制定的JEL811:2005等標準；出口美國的產品要通過UL認證；出口歐洲的產品要通過CE認證。此外，在歐、亞、非、澳四大洲的絕大多數國家和地區則遵照由國際電工委員會(International Electronal CommissionI，IEC)起草的防護標準IEC 529598繫列標準，我國燈飾行業的GB7000繫列國家標準就對應於IEC60598標準。IEC(EN)按照防電擊、防塵防潮和可燃性三個環節對照明電器產品進行了等級標示。1) 防電擊保護程度（1） CLASS 0級燈：無代表符號，電源電壓為50V以上高壓，單層絕緣結構，無接地；（2） CLASS I級燈：無代表符號，電源電壓為50V以上高壓，單層絕緣結構，外露可觸金屬需接地；（3） CLASS II級燈：用符號“II”表示，電源電壓為50V以上高壓，通常為雙重絕緣結構，無接地；（4） CLASS III級燈：用符號“III”表示，供電為安全特低電壓SELV(外置變壓器直插式燈具)，電源電壓為50V以下低壓，單層絕緣結構，無接地。2) 防塵、防固體異物、防潮能力防護等級標記為IPXX(ingress protection，IP)，位數表示防塵防固體異物指數，從0~6共七個等級，數字愈大防塵防固體異物能力愈強: 0—無防護； 1—防止大於50mm的固體異物進入燈具； 2—防大於12mm的固體異物； 3—防大於2.5mm的固體異物； 4—防大於1mm的固體異物； 5—防灰塵； 6—無灰塵進入。第二位數：防潮能力指數，從0~8共九個等級，數字愈大防潮能力愈強： 0—無防護； 1—防滴(垂直)； 2—防滴(傾斜15°)； 3—防淋水(60°範圍)； 4—防濺水； 5—防噴水； 6—防猛烈海浪； 7—防浸水影響； 8—防潛水影響。3) 安裝面可燃性（1）僅適宜於直接安裝在非可燃表面的燈具，用符號“”表示；（2）適宜於安裝在普通可燃表面的燈具，用符號“”表示；（3）可安裝在普通可燃表面且隔熱材料可能蓋住燈具的場合(即嵌入式)，用“”表示。對於不同用途和不同使用條件的燈具，安全性要求也不盡相同，比如，我國對於LED路燈制定了專門的國家安全標準《GB7000.5—2005道路與街路照明燈具安全要求》，在灰塵和水的進入防護規定了3層防護等級， A級品不應低於IP67要求，B級品不應低於IP66要求，C級品不應低於IP65要求。不同使用環境對照明燈具IP防護等級的要求見表58。

表58常見環境對燈具IP防護等級的要求

應用環境一般室內廚房、浴室、衛生間陽臺、屋檐、雨棚、簡易車庫等類似環境普通廠房有粉塵產生的廠房等類似環境廣場、道路、隧道等露天室外境地埋燈具水下用燈具
IP等級IP20(燈具上一般不標注)IPX4IP54IP4XIP5XIP65IP67IP68
LED燈具典型的不安全現像包括：（1）外殼過熱、冒煙、起火；（2）掉落、散落；（3）漏電、帶電部位的外露；（4）高溫部位的外露；（5）易造成傷害危險部位的外露。為了防止上述不安全現像的發生，產品的安全設計必須充分考慮：（1）器件的壽命期、過載能力，PCB電路板發熱、電火花、浪湧，連線短路或短路引起的著火、冒煙；（2）易於辨識及無法裝錯、防止落下、模塊化無傷害的燈具結構，若使用玻璃則應有保護裝置防止破損或破損後的飛濺；（3）對於不使用工具即可拆開的外殼，拆開後的帶電部位不應外露，從手指、鑷子等工具可以插入的開口處無法接觸到帶電部位；（4）對於能引起燙傷部位應進行適當的保護、文字提示警告；（5）人體易於觸摸部位不應存在凸起、銳角，若存在必須有防護措施。此外，LED燈具還具有特殊的不安全現像——照明的生物安全。光的本質是一種電磁波，人體受到光能的照射並吸收了光能後將會產生各種反應。其中紫外光、藍光等大能量光子對人眼有較大的損傷，對於LED照明，藍光的損傷尤為重要，表59示出了光輻射對人眼傷害的情況。ICECIE共同審定了危險等級及劃分的概念，IEC制定了IEC62471標準對LED產品的光輻射安全測試與評估進行了具體的要求，依此對LED照明產品進行了測試分析，實驗結果表明類似LED手電筒類的小面積聚光型光源達到了RG2危險級，其他光源均屬於無危險級。

表59光輻射對人眼傷害的情況

影響紫外(100~400nm)可見與近紅外(400~1400nm)紅外(＞1400nm)
眼睛角膜光致結膜炎、光致角膜炎
燒傷、震動損傷晶狀體

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