湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院　李婳婧　聶　磊　黃　飛

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LED燈具電路板組件模態(tài)對(duì)可靠性影響的仿真分析

湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院李婳婧聶磊黃飛

【摘要】建立了大功率LED燈具印制電路板組件的三維立體模型，應(yīng)用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)仿真分析。結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果，分析了振動(dòng)對(duì)LED燈具中印制電路板組件的影響，探究失效模式并對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行可靠性分析。提出優(yōu)化方案及改進(jìn)措施，最終為提高LED燈具印制電路板組件的質(zhì)量和可靠性提出了建議。

【關(guān)鍵詞】LED燈具；印制電路板組件；PCBA；有限元仿真；可靠性分析

本文系國(guó)家自然科學(xué)基金（51305130），湖北省自然科學(xué)基金（2014CFB178），湖北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（D20131407）。

1　引言

隨著照明行業(yè)的飛速發(fā)展，LED燈具作為一款新型固態(tài)冷光源器件，憑借其體積小、耗電量低、壽命長(zhǎng)(壽命是普通熒光燈的10倍)、發(fā)光效率高等特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域正日益擴(kuò)大正。然而，LED燈具的實(shí)際使用壽命卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論壽命(10萬(wàn)小時(shí))，導(dǎo)致LED燈具可靠性降低，嚴(yán)重阻礙了LED燈具發(fā)展和應(yīng)用[1-2]。研究表明，50%以上的電子設(shè)備故障是由環(huán)境因素所致，而振動(dòng)因素約占27%,因此，振動(dòng)環(huán)境是影響產(chǎn)品重要的因素之一[3]。特別是LED燈具中的印制電路板組件(PCBA)作為光源的載體，它在振動(dòng)環(huán)境下的壽命，將直接影響的LED燈具的可靠性。因此，PCBA的振動(dòng)可靠性分析是LED燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)，也是提高LED燈具可靠性的重要手段。

為提高LED燈具產(chǎn)品的可行性和可靠性水平，針對(duì)LED燈具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和維護(hù)修理的可靠性分析是不可或缺的。Chen Zhaohui，Zhang Qin等人論述了發(fā)光二極管( LED) 在封裝和應(yīng)用中存在的主要失效模式和失效機(jī)理，提出了可靠性保證措施, 對(duì)于進(jìn)一步完善白光LED 封裝技術(shù)、提高其壽命和可靠性提供了基礎(chǔ)[4]。Fu-Kwun Wang 和 Tao-Peng Chu 提出了一種針對(duì)LED燈具的可靠性快速評(píng)估方法，通過(guò)加速衰減試驗(yàn)對(duì)壽命進(jìn)行快速預(yù)測(cè)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)LED燈具進(jìn)行可靠性評(píng)估[5]。大多數(shù)的可靠性分析都集中在對(duì)LED燈具的壽命和熱分析的研究，或者是對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)研究，鮮有對(duì)LED燈具系統(tǒng)中的PCBA進(jìn)行振動(dòng)分析和可靠性研究。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文以ANSYS模態(tài)仿真為依據(jù)，結(jié)合可靠性分析判斷PCBA的薄弱環(huán)節(jié)，提出可能采取的預(yù)防方案及改正措施，為提高驅(qū)動(dòng)電路板的壽命和可靠性提供理論基礎(chǔ)。

2　模態(tài)仿真分析

模態(tài)分析是以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)、以模態(tài)參數(shù)為目標(biāo)的分析方法，目標(biāo)是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。它們是承受動(dòng)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。由于驅(qū)動(dòng)電路板的振動(dòng)特性決定結(jié)構(gòu)對(duì)各種動(dòng)力載荷的響應(yīng)情況，所以利用ANSYS有限元仿真方法對(duì)LED燈具的驅(qū)動(dòng)電路板進(jìn)行振動(dòng)分析[6]。

2.1實(shí)體模型建立

此次仿真選取了型號(hào)為CJ-BB03A的照明用LED球泡燈具作為樣品，是5w Si襯底AIGaInp 白色LED燈具。LED燈具中的PCBA通常為長(zhǎng)方形，由電路板及電子元器件通過(guò)機(jī)械或者電氣的模式連接而成。由于附加在電路板上的電子元器件有一定的質(zhì)量，在振動(dòng)環(huán)境中，會(huì)對(duì)PCBA的固有頻率產(chǎn)生一定的影響。因此，建立一個(gè)精確的PCBA實(shí)體模型，對(duì)模態(tài)仿真結(jié)果非常重要。

該燈具的PCBA主要由印刷電路板、變壓器、MB6S整流橋、鋁質(zhì)電容器、ES1D穩(wěn)壓二極管和BP9022恒流芯片組成。印制電路板(PCB)上還有一部分分布均勻的微型元器件，為了提高建模的準(zhǔn)確度和精度，本文將直接有限元成型法與簡(jiǎn)單成型法相結(jié)合，忽略體積小、重量低的微型元器件，僅對(duì)主要的元器件進(jìn)行建模和有限元仿真。此外，電路板上的元器件都是通過(guò)引腳焊接在底板上，由于本文是研究振動(dòng)對(duì)電路板與元器件的整體影響，因此只建立電路板與電子元器件的位移耦合關(guān)系，忽略引腳的建模。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)研究對(duì)象的幾個(gè)結(jié)構(gòu)、分析類(lèi)型和所分析的問(wèn)題精度要求等，選定適合的單元類(lèi)型。本文選用二十節(jié)點(diǎn)體單元SOLID186為PCBA的單元類(lèi)型，最后對(duì)PCBA進(jìn)行網(wǎng)格劃分。硬刷電路板的有限元實(shí)體模型如圖1所示。

2.2ANSYS仿真結(jié)果

在模態(tài)分析中必須指定不同材料的特性參數(shù)，其中包括楊氏模量、材料密度和泊松比。由于PCB上的元器件基本上為同種形式的塑性封裝，且本文主要研究在振動(dòng)條件下的PCBA可靠性，所以我們對(duì)PCB上的所有元器件采用同一特性參數(shù)[7]。通常LED燈具內(nèi)部的PCBA是運(yùn)用四角固定的方法，固定在燈體上。因此在四角處施加了位移約束的關(guān)鍵點(diǎn)。

對(duì)PCBA有限元模型進(jìn)行施加約束后，模態(tài)計(jì)算方法設(shè)定為Block Lanczos，模態(tài)提取階數(shù)為15,擴(kuò)展階數(shù)為15。經(jīng)過(guò)模型建立、劃分網(wǎng)格、模態(tài)分析設(shè)置和施加邊界條件，PCBA板的總變形云圖如圖2所示。由總變形云圖可發(fā)現(xiàn)，由于受到PCB板上的元器件影響，PCBA的應(yīng)力分布較為復(fù)雜，但是可明顯發(fā)現(xiàn)，電解電容器是所有元器件中受應(yīng)力、位移變化量和彎曲變形量最大的部件，是PCBA可靠性中的薄弱環(huán)節(jié)。為了提高PCBA可靠性，從而增加LED燈具的實(shí)際使用壽命，針對(duì)仿真結(jié)果分析出的薄弱環(huán)節(jié)—電解電容進(jìn)行了可靠性分析，針對(duì)每一種失效模式提出了改進(jìn)措施，見(jiàn)表1。

圖1　印刷電路板有限元模型

圖2　　PCBA板的總變形云圖

表1　電解電容的可靠性分析表

3　結(jié)論

本文運(yùn)用ANSYS有限元仿真，對(duì)振動(dòng)條件下LED燈具的PCBA進(jìn)行了模態(tài)分析。并在此基礎(chǔ)上，找出了PCBA的薄弱環(huán)節(jié)，提出了相關(guān)的預(yù)防與改進(jìn)措施。從而使得產(chǎn)品的可靠性得到一定程度的提高。具體結(jié)論如下，對(duì)LED燈具的PCBA而言，在振動(dòng)情況下，通過(guò)ANSYS有限元仿真得出電解電容器的形變和位移最大，是影響LED燈具系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵部件。相對(duì)于10萬(wàn)小時(shí)壽命和半永久壽命的半導(dǎo)體器件和無(wú)源元件來(lái)說(shuō)，鋁電解電容器是導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)電路壽命達(dá)不到要求的關(guān)鍵元件。

將ANSYS有限元仿真與可靠性分析法相結(jié)合，不僅在設(shè)計(jì)中可以利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，還可以用于對(duì)設(shè)計(jì)、制造和維修中系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的分析和尋找。進(jìn)而縮短項(xiàng)目時(shí)間、降低項(xiàng)目成本和風(fēng)險(xiǎn)。為提高公司產(chǎn)品的質(zhì)量，為產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)提供有關(guān)信息和歷史資料，都有著深遠(yuǎn)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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[3]李朝旭.電子設(shè)備的抗振動(dòng)設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程,2002,18(1): 51-53.

[4]Chen Zhaohui,Zhang Qin,Wang Kai.“Reliability test and failure analysis of high power LED packages,”Journal of Semicondu ctors,2011,32(1).

[5]Fu-Kwun Wang,Tao-Peng Chu,“Lifetime predictions of LED-based light bars by accelerated degradation test,”Microelectronics Reliability,2012,52:1332-1336.

[6]李春洋.印制電路板有限元分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].國(guó)防科技技術(shù)大學(xué),2005.

[7]李黎明編著.ANSYS有限元分析實(shí)用教程[M].清華大學(xué)出版社,2005.

李婳婧（1990—），湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生在讀。

通訊作者：聶磊。

作者簡(jiǎn)介：