LED灯具电路板组件模态对可靠性影响的仿真分析

湖北工业大学机械工程学院　李婳婧　聂　磊　黄　飞



LED灯具电路板组件模态对可靠性影响的仿真分析

湖北工业大学机械工程学院李婳婧聂磊黄飞

【摘要】建立了大功率LED灯具印制电路板组件的三维立体模型，应用有限元软件对其进行了模态仿真分析。结合模态分析结果，分析了振动对LED灯具中印制电路板组件的影响，探究失效模式并对薄弱环节进行可靠性分析。提出优化方案及改进措施，最终为提高LED灯具印制电路板组件的质量和可靠性提出了建议。

【关键词】LED灯具；印制电路板组件；PCBA；有限元仿真；可靠性分析

本文系国家自然科学基金（51305130），湖北省自然科学基金（2014CFB178），湖北省教育厅重点项目（D20131407）。

1　引言

随着照明行业的飞速发展，LED灯具作为一款新型固态冷光源器件，凭借其体积小、耗电量低、寿命长(寿命是普通荧光灯的10倍)、发光效率高等特点，应用领域正日益扩大正。然而，LED灯具的实际使用寿命却远远低于理论寿命(10万小时)，导致LED灯具可靠性降低，严重阻碍了LED灯具发展和应用[1-2]。研究表明，50%以上的电子设备故障是由环境因素所致，而振动因素约占27%,因此，振动环境是影响产品重要的因素之一[3]。特别是LED灯具中的印制电路板组件(PCBA)作为光源的载体，它在振动环境下的寿命，将直接影响的LED灯具的可靠性。因此，PCBA的振动可靠性分析是LED灯具结构设计中必不可少的环节，也是提高LED灯具可靠性的重要手段。

为提高LED灯具产品的可行性和可靠性水平，针对LED灯具的结构设计、材料选择和维护修理的可靠性分析是不可或缺的。Chen Zhaohui，Zhang Qin等人论述了发光二极管( LED) 在封装和应用中存在的主要失效模式和失效机理，提出了可靠性保证措施, 对于进一步完善白光LED 封装技术、提高其寿命和可靠性提供了基础[4]。Fu-Kwun Wang 和 Tao-Peng Chu 提出了一种针对LED灯具的可靠性快速评估方法，通过加速衰减试验对寿命进行快速预测，根据试验结果对LED灯具进行可靠性评估[5]。大多数的可靠性分析都集中在对LED灯具的寿命和热分析的研究，或者是对LED驱动电路的设计研究，鲜有对LED灯具系统中的PCBA进行振动分析和可靠性研究。针对这个问题，本文以ANSYS模态仿真为依据，结合可靠性分析判断PCBA的薄弱环节，提出可能采取的预防方案及改正措施，为提高驱动电路板的寿命和可靠性提供理论基础。

2　模态仿真分析

模态分析是以振动理论为基础、以模态参数为目标的分析方法，目标是识别出系统的模态参数。它们是承受动载荷结构设计的重要参数，为结构系统的振动分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。由于驱动电路板的振动特性决定结构对各种动力载荷的响应情况，所以利用ANSYS有限元仿真方法对LED灯具的驱动电路板进行振动分析[6]。

2.1实体模型建立

此次仿真选取了型号为CJ-BB03A的照明用LED球泡灯具作为样品，是5w Si衬底AIGaInp 白色LED灯具。LED灯具中的PCBA通常为长方形，由电路板及电子元器件通过机械或者电气的模式连接而成。由于附加在电路板上的电子元器件有一定的质量，在振动环境中，会对PCBA的固有频率产生一定的影响。因此，建立一个精确的PCBA实体模型，对模态仿真结果非常重要。

该灯具的PCBA主要由印刷电路板、变压器、MB6S整流桥、铝质电容器、ES1D稳压二极管和BP9022恒流芯片组成。印制电路板(PCB)上还有一部分分布均匀的微型元器件，为了提高建模的准确度和精度，本文将直接有限元成型法与简单成型法相结合，忽略体积小、重量低的微型元器件，仅对主要的元器件进行建模和有限元仿真。此外，电路板上的元器件都是通过引脚焊接在底板上，由于本文是研究振动对电路板与元器件的整体影响，因此只建立电路板与电子元器件的位移耦合关系，忽略引脚的建模。在进行有限元分析时，首先应根据研究对象的几个结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合的单元类型。本文选用二十节点体单元SOLID186为PCBA的单元类型，最后对PCBA进行网格划分。硬刷电路板的有限元实体模型如图1所示。

2.2ANSYS仿真结果

在模态分析中必须指定不同材料的特性参数，其中包括杨氏模量、材料密度和泊松比。由于PCB上的元器件基本上为同种形式的塑性封装，且本文主要研究在振动条件下的PCBA可靠性，所以我们对PCB上的所有元器件采用同一特性参数[7]。通常LED灯具内部的PCBA是运用四角固定的方法，固定在灯体上。因此在四角处施加了位移约束的关键点。

对PCBA有限元模型进行施加约束后，模态计算方法设定为Block Lanczos，模态提取阶数为15,扩展阶数为15。经过模型建立、划分网格、模态分析设置和施加边界条件，PCBA板的总变形云图如图2所示。由总变形云图可发现，由于受到PCB板上的元器件影响，PCBA的应力分布较为复杂，但是可明显发现，电解电容器是所有元器件中受应力、位移变化量和弯曲变形量最大的部件，是PCBA可靠性中的薄弱环节。为了提高PCBA可靠性，从而增加LED灯具的实际使用寿命，针对仿真结果分析出的薄弱环节—电解电容进行了可靠性分析，针对每一种失效模式提出了改进措施，见表1。

图1　印刷电路板有限元模型

图2　　PCBA板的总变形云图

表1　电解电容的可靠性分析表

3　结论

本文运用ANSYS有限元仿真，对振动条件下LED灯具的PCBA进行了模态分析。并在此基础上，找出了PCBA的薄弱环节，提出了相关的预防与改进措施。从而使得产品的可靠性得到一定程度的提高。具体结论如下，对LED灯具的PCBA而言，在振动情况下，通过ANSYS有限元仿真得出电解电容器的形变和位移最大，是影响LED灯具系统可靠性的关键部件。相对于10万小时寿命和半永久寿命的半导体器件和无源元件来说，铝电解电容器是导致LED驱动电路寿命达不到要求的关键元件。

将ANSYS有限元仿真与可靠性分析法相结合，不仅在设计中可以利用数学近似的方法对系统进行模拟仿真，还可以用于对设计、制造和维修中系统薄弱环节的分析和寻找。进而缩短项目时间、降低项目成本和风险。为提高公司产品的质量，为产品可靠性设计提供有关信息和历史资料，都有着深远的社会效益和经济效益。

参考文献

[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.电子设备的抗振动设计[J].电子机械工程,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.印制电路板有限元分析及其优化设计[D].国防科技技术大学,2005.

[7]李黎明编著.ANSYS有限元分析实用教程[M].清华大学出版社,2005.

李婳婧（1990—），湖北工业大学机械工程学院硕士研究生在读。

通讯作者：聂磊。

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