LED燈具電路板組件模態對可靠性影響的仿真分析

湖北工業大學機械工程學院　李婳婧　聶　磊　黃　飛

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LED燈具電路板組件模態對可靠性影響的仿真分析

湖北工業大學機械工程學院李婳婧聶磊黃飛

【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，應用有限元軟件對其進行了模態仿真分析。結合模態分析結果，分析了振動對LED燈具中印制電路板組件的影響，探究失效模式并對薄弱環節進行可靠性分析。提出優化方案及改進措施，最終為提高LED燈具印制電路板組件的質量和可靠性提出了建議。

【關鍵詞】LED燈具；印制電路板組件；PCBA；有限元仿真；可靠性分析

本文系國家自然科學基金（51305130），湖北省自然科學基金（2014CFB178），湖北省教育廳重點項目（D20131407）。

1　引言

隨著照明行業的飛速發展，LED燈具作為一款新型固態冷光源器件，憑借其體積小、耗電量低、壽命長(壽命是普通熒光燈的10倍)、發光效率高等特點，應用領域正日益擴大正。然而，LED燈具的實際使用壽命卻遠遠低于理論壽命(10萬小時)，導致LED燈具可靠性降低，嚴重阻礙了LED燈具發展和應用[1-2]。研究表明，50%以上的電子設備故障是由環境因素所致，而振動因素約占27%,因此，振動環境是影響產品重要的因素之一[3]。特別是LED燈具中的印制電路板組件(PCBA)作為光源的載體，它在振動環境下的壽命，將直接影響的LED燈具的可靠性。因此，PCBA的振動可靠性分析是LED燈具結構設計中必不可少的環節，也是提高LED燈具可靠性的重要手段。

為提高LED燈具產品的可行性和可靠性水平，針對LED燈具的結構設計、材料選擇和維護修理的可靠性分析是不可或缺的。Chen Zhaohui，Zhang Qin等人論述了發光二極管( LED) 在封裝和應用中存在的主要失效模式和失效機理，提出了可靠性保證措施, 對于進一步完善白光LED 封裝技術、提高其壽命和可靠性提供了基礎[4]。Fu-Kwun Wang 和 Tao-Peng Chu 提出了一種針對LED燈具的可靠性快速評估方法，通過加速衰減試驗對壽命進行快速預測，根據試驗結果對LED燈具進行可靠性評估[5]。大多數的可靠性分析都集中在對LED燈具的壽命和熱分析的研究，或者是對LED驅動電路的設計研究，鮮有對LED燈具系統中的PCBA進行振動分析和可靠性研究。針對這個問題，本文以ANSYS模態仿真為依據，結合可靠性分析判斷PCBA的薄弱環節，提出可能采取的預防方案及改正措施，為提高驅動電路板的壽命和可靠性提供理論基礎。

2　模態仿真分析

模態分析是以振動理論為基礎、以模態參數為目標的分析方法，目標是識別出系統的模態參數。它們是承受動載荷結構設計的重要參數，為結構系統的振動分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。由于驅動電路板的振動特性決定結構對各種動力載荷的響應情況，所以利用ANSYS有限元仿真方法對LED燈具的驅動電路板進行振動分析[6]。

2.1實體模型建立

此次仿真選取了型號為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通常為長方形，由電路板及電子元器件通過機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量，在振動環境中，會對PCBA的固有頻率產生一定的影響。因此，建立一個精確的PCBA實體模型，對模態仿真結果非常重要。

該燈具的PCBA主要由印刷電路板、變壓器、MB6S整流橋、鋁質電容器、ES1D穩壓二極管和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，為了提高建模的準確度和精度，本文將直接有限元成型法與簡單成型法相結合，忽略體積小、重量低的微型元器件，僅對主要的元器件進行建模和有限元仿真。此外，電路板上的元器件都是通過引腳焊接在底板上，由于本文是研究振動對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系，忽略引腳的建模。在進行有限元分析時，首先應根據研究對象的幾個結構、分析類型和所分析的問題精度要求等，選定適合的單元類型。本文選用二十節點體單元SOLID186為PCBA的單元類型，最后對PCBA進行網格劃分。硬刷電路板的有限元實體模型如圖1所示。

2.2ANSYS仿真結果

在模態分析中必須指定不同材料的特性參數，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條件下的PCBA可靠性，所以我們對PCB上的所有元器件采用同一特性參數[7]。通常LED燈具內部的PCBA是運用四角固定的方法，固定在燈體上。因此在四角處施加了位移約束的關鍵點。

對PCBA有限元模型進行施加約束后，模態計算方法設定為Block Lanczos，模態提取階數為15,擴展階數為15。經過模型建立、劃分網格、模態分析設置和施加邊界條件，PCBA板的總變形云圖如圖2所示。由總變形云圖可發現，由于受到PCB板上的元器件影響，PCBA的應力分布較為復雜，但是可明顯發現，電解電容器是所有元器件中受應力、位移變化量和彎曲變形量最大的部件，是PCBA可靠性中的薄弱環節。為了提高PCBA可靠性，從而增加LED燈具的實際使用壽命，針對仿真結果分析出的薄弱環節—電解電容進行了可靠性分析，針對每一種失效模式提出了改進措施，見表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　結論

本文運用ANSYS有限元仿真，對振動條件下LED燈具的PCBA進行了模態分析。并在此基礎上，找出了PCBA的薄弱環節，提出了相關的預防與改進措施。從而使得產品的可靠性得到一定程度的提高。具體結論如下，對LED燈具的PCBA而言，在振動情況下，通過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燈具系統可靠性的關鍵部件。相對于10萬小時壽命和半永久壽命的半導體器件和無源元件來說，鋁電解電容器是導致LED驅動電路壽命達不到要求的關鍵元件。

將ANSYS有限元仿真與可靠性分析法相結合，不僅在設計中可以利用數學近似的方法對系統進行模擬仿真，還可以用于對設計、制造和維修中系統薄弱環節的分析和尋找。進而縮短項目時間、降低項目成本和風險。為提高公司產品的質量，為產品可靠性設計提供有關信息和歷史資料，都有著深遠的社會效益和經濟效益。

參考文獻

[1]W.D.van Driel,C.A.Yuan et al,“LED System Reliability,”EuroSimE,2011,5:1-5.

[2]S. Koh,W.D.van Driel et al,“Solid State Lighting System Reliability,”ChinaSSL,2011,121-126.

[3]李朝旭.電子設備的抗振動設計[J].電子機械工程,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化設計[D].國防科技技術大學,2005.

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

李婳婧（1990—），湖北工業大學機械工程學院碩士研究生在讀。

通訊作者：聶磊。

作者簡介：